konversi energi

176

Upload: satria-febrizal

Post on 11-Jan-2016

99 views

Category:

Documents


9 download

DESCRIPTION

konversi energi

TRANSCRIPT

Page 1: Konversi Energi
Page 2: Konversi Energi

KONVERSI ENERGI

Kode: TM-KM/KEN 2

(Kelas X-Semester 2)

Disusun Oleh:

DRS. MASAGUS S. RIZAL

DIREKTORAT PEMBINAAN SEKOLAH MENENGAH KEJURUAN

DIREKTORAT JENDERAL PENDIDIKAN MENENGAH

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

2013

Page 3: Konversi Energi

i

KATA PENGANTAR

Kurikulum 2013 dirancang untuk memperkuat kompetensi siswa dari sisi mengetahuan,

ketrampilan dan sikap secara utuh, proses pencapaiannya melalui pembelajaran

sejumlah mata pelajaran yang dirancang sebagai kesatuan yang saling mendukung

pencapaian kompetensi tersebut

Sesuai dengan konsep kurikulum 2013 buku ini disusun mengacau pada pembelajaran

scientific approach, sehingga setiap pengetahuan yang diajarkan, akan dilanjutkan

sampai siswa dapat membuat dan terampil dalam menyajikan pengetahuan yang

dikuasai secara kongkrit dan abstrak serta bersikap sebagai mahluk yang mensyukuri

anugerah Tuhan akan alam semesta yang dikaruniakan kepadanya melalui kehidupan

yang mereka hadapi.

Kegiatan pembelajaran yang dilakukan siswa dengan buku teks bahan ajar ini pada

hanyalah usaha minimal yang harus dilakukan siswa untuk mencapai kompetensi yang

diharapkan, sedangkan usaha maksimalnya siswa harus menggali informasi yang lebih

luas melalui kerja kelompok, diskusi dan mengumpulkan berbagai informasi dari

sumber sumber lain yang berkaitan dengan materi yang disampaikan.

Sesuai dengan pendekatan kurikulum 2013, siswa diminta untuk menggali dan mencari

atau menemukan suatu konsep dari sumber sumber yang pengetahuan yang sedang

dipelajarinya, Peran guru sangat penting untuk meningkatkan dan menyesuaiakan daya

serap siswa dengan ketersediaan kegiatan pembelajaran pada buku ini. Guru dapat

memperkaya dengan kreasi dalam bentuk kegiatan kegiatan lain yang sesuai dan relevan

yang bersumber dai lingkungan sosial dan alam sekitarnya

Sebagai edisi pertama,buku teks bahan ajar ini sangat terbuka dan terus dilakukan

perbaikan dan penyempurnaannya, untuk itu kami mengundang para pembaca dapat

memberikan saran dan kritik serta masukannya untuk perbaikan dan penyempurnaan

pada edisi berikutnya. Atas konstribusi tersebut, kami ucapkan banyak terima kasih.

Mudah-mudahan kita dapat memberikan hal yang terbaik bagi kemajuan dunia

pendidikan dalam rangka mempersiapkan generasi emas dimasa mendatang.

Cimahi Desember 2013

Penyusun,

Page 4: Konversi Energi

ii

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ....................................................................................................... i

DAFTAR ISI ..................................................................................................................... ii

PETA KEDUDUKAN BAHAN AJAR ........................................................................... iv

PERISTILAHAN/GLOSSARY........................................................................................ v

BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................. 1

A. Deskripsi .................................................................................................................. 1

B. Prasyarat .................................................................................................................. 2

C. Petunjuk Penggunaan .............................................................................................. 2

1. Petunjuk Bagi Siswa.......................................................................................... 2

2. Petunjuk Bagi Guru/Istruktur ............................................................................ 3

3. Pendekatan Saintifik .......................................................................................... 3

D. Tujuan Akhir ........................................................................................................... 5

E. Kompetensi Inti dan Kompetensi Dasar .................................................................. 6

F. Cek Kemampuan ..................................................................................................... 8

BAB II PEMBELAJARAN .............................................................................................. 9

A. Deskripsi .................................................................................................................. 9

B. Kegiatan Belajar ...................................................................................................... 9

1. Kegiatan Belajar 1 : Mengenal Prinsip Mesin Konversi Energi ....................... 9

a. Tujuan Kegiatan Belajar. .......................................................................... 9

b. Uraian Materi ............................................................................................ 9

c. Rangkuman ............................................................................................. 26

d. Tugas ....................................................................................................... 27

2. Kegiatan Belajar 2 : Pengetahuan Dasar Motor Bakar ................................... 28

a. Tujuan Pembelajaran : ............................................................................. 28

b. Uraian Materi : ........................................................................................ 28

c. Rangkuman ............................................................................................. 73

d. Tugas ....................................................................................................... 74

3. Kegiatan Pembelajaran 3 : Prestasi Mesin ...................................................... 75

a. Tujuan Pembelajaran ............................................................................... 75

b. Uraian Materi .......................................................................................... 75

Page 5: Konversi Energi

iii

c. Rangkuman ........................................................................................... 101

d. Tugas ..................................................................................................... 103

4. Kegiatan belajar 4 : Pengetahuan Dasar Turbin ............................................ 104

a. Tujuan Pembelajaran : ........................................................................... 104

b. Uraian materi : ....................................................................................... 104

c. Rangkuman ........................................................................................... 121

d. Tugas ..................................................................................................... 123

5. Kegiatan belajar 5 : Turbin Gas .................................................................... 124

a. Tujuan Pembelajaran : ........................................................................... 124

b. Uraian materi : ....................................................................................... 124

c. Rangkuman ........................................................................................... 153

d. Tugas ..................................................................................................... 155

6. Kegiatan Belajar 6 : Pengetahuan Dasar Generator Listrik .......................... 156

a. Tujuan Pembelajaran : ........................................................................... 156

b. Uraian materi ......................................................................................... 156

c. Rangkuman ........................................................................................... 166

d. Tugas ..................................................................................................... 167

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................... 169

Page 6: Konversi Energi

iv

PETA KEDUDUKAN BAHAN AJAR

Diagram Pencapaian Kompetensi

Diagram ini menunjukkan tahapan atau tata urutan pencapaian kompetensi yang

dilatihkan pada peserta diklat dalam kurun waktu tiga tahun, serta kemungkinan multi

entry–multi exit yang dapat diterapkan.

Mekanika Teknik

& Elemen Mesin

(TM- MK/EM)

Teknologi

Mekanik

(TM-TMK) Kelistrikan Mesin

& Konversi Energi

(TM-KM/KEN)

Simulasi

Digital

(TM-SDG)

Teknik

Pemeliharaan

Kelistrikan Mesin

Teknik

Pemeliharaan

Mekanik Industri

Teknik

Pemeliharaan

Sistem Pneumatik

dan Hidrolik

Teknik

Pengerjaan Logam

TP-MMI

1

(XI-3)

TP-MMI

2

(XI-4)

TP-MMI

2

(XII-5)

TP-MMI

2

(XII-6)

TP-SPH 1

(XII-5)

TM-MK/EM 1

(X-1)

TP-KM 1

(XII-5)

TPL 2

(XI-4)

TPL 1

(XI-3)

TPSPH 2

(XII-6)

TP-KM 2

(XII-6)

TM-KM/KEN 1

(X-1)

TM-SDG2

(X-2)

TM-MK/EM 2

(X-2)

TM-KM/KEN 2

(XII-6)

TM-TMK2

(X-2)

TM-TMK1

(X-1)

TM-SDG1

(X-1)

MA

TA

PE

LA

JA

RA

N K

EL

OM

PO

K -

C 2

M

AT

A P

EL

AJA

RA

N K

EL

OM

PO

K -

C3

JU

DU

L B

UK

U T

EK

S B

AH

AN

AJ

AR

J

UD

UL

BU

KU

TE

KS

BA

HA

N A

JA

R

Page 7: Konversi Energi

v

PERISTILAHAN/GLOSSARY

Fluida : zat alir yang dipakai pada benda kerja disebut dengan fluida

kerja.

Bleeding : Pengosongan udara pada sistem bahan bakar.

Dry type : Tipe kering. Salah satu tipe silinder liner.

Damper : Penahan.

Feed pump : Pompa utama. Yaitu pompa pada pompa injeksi Inline yang

digunakan untuk menghisap bahan bakar dan menghilangkan

udara palsu pada system bahan bakar.

Governor : Komponen yang berfungsi untuk mengontrol secara automatis

penyaluran bahan bakar sesuai dengan beban mesin.

Oil film : Lapisan film yang terbentuk oleh oli.

Over size : Pembesaran ukuran. Umumnya pada benda berbentuk silinder.

Priming pump : Pompa utama. Yaitu pompa pada pompa injeksi distributor yang

digunakan untuk menghisap bahan bakar dan menghilangkan

udara palsu pada system bahan bakar.

Separator : Sekat (pada tangki bahan bakar) yang menjaga permukaan

bahan bakar tetap stabil.

Water : Pemisah bahan bakar dengan air.

Thermostat : Suatu komponen yang mengatur aliran air pendingin. Bekerja

apabila mendapatkan panas akan membuka saluran pada

thermostat itu sendiri.

Under size : Pengecilan ukuran. Pengecilan yang dimaksud pada poros

engkol.

Wet type : Tipe basah. Salah satu tipe silinder liner.

Page 8: Konversi Energi

1

BAB I PENDAHULUAN

A. Deskripsi

Bahan ajar Konversi Energi dengan kode “TM-KM/KEN 2” berisi materi dan informasi

tentang pengetahuan dasar tentang termodinamika, perpindahan panas dan mekanika

fluida sangat membantu para calon operator dan staf pemeliharaan mesin-mesin

industri. Konsep-konsep pengetahuan dasar akan berguna dalam memahami prinsip-

prinsip dasar kerja mesin-mesin. Pembahasan ditekankan pada hal-hal khusus yang

berkenaan dengan konsep dasar. Untuk pembahasan yang menyeluruh pembaca dapat

merujuk pada buku teks yang ada pada daftar pustaka.

Semua materi konversi energi disusun dalan pokok bahasan tentang pengetahuan dasar

motor bakar, pengetahuan dasar turbin dan pengetahuan dasar generator listrik. Bahan

ajar ini membahas tentang beberapa hal penting yang perlu diketahui agar dapat

melakukan melaksanakan pekerjaan dasar secara efektif, efisien dan aman. Materi

diuraikan dengan pendekatan saintifik dan praktis disertai ilustrasi yang cukup agar

siswa mudah memahami bahasan yang disampaikan.

Cakupan materi pengetahuan dasar mesin konversi energi yang akan dipelajari meliputi

: (a) proses mesin konversi energy, (b) ciri-ciri mesin konversi energy, (c) besaran

sistem termodinamika, (d) besaran pokok termodinamika, (e) bentu-bentuk energi, (f)

sifat-sifat energi, dan (g) hokum termodinamika.

Cakupan materi pengetahuan dasar motor bakar yang akan dipelajari meliputi : (a)

Pemahaman prinsip dan cara kerja motor bensin 2 tak maupun 4 tak, (b) Pemahaman

prinsip kerja dari motor diesel 4 tak, (c) Pemahaman prinsip kerja system pendinginan, ,

(d) Pemahaman prinsip kerja system bahan bakar, (e) Pemahaman proses perhitungan

daya motor, (g) Pemahaman konstruksi dan fungsi bagian utama Engine.

Selanjutnya cakupan materi pengetahuan dasar turbin yang akan dipelajari meliputi : (a)

Turbin Gas, (b) Azas Impuls dan reaksi, (c) Segitiga kecepatan, (d) Konstruksi Turbin

Gas (e), Klasifikasi Turbin Gas (f) Mesin tenaga Uap, (g) Turbin Air.

Page 9: Konversi Energi

2

Cakupan materi pengetahuan dasar generator listrik akan membahas tentang : jenis

generator listrik, fungsi dan cara kerja, konstruksi dan bagian-bagian generator listrik.

Setiap kegiatan belajar berisi tujuan, materi, dan diakhir materi disampaikan rangkuman

yang memuat intisari materi, dilanjutkan test formatif. Setiap siswa harus mengerjakan

test tersebut sebagai indicator penguasaan materi, jawaban test kemudian diklarifikasi

dengan kunci jawaban. Guna melatih keterampilan dan sikap kerja yang benar setiap

siswa dapat berlatih dengan pedoman lembar kerja yang ada.

Diakhir bahan ajar terdapat evaluasi sebagai uji kompetensi siswa. Uji kompetensi

dilakukan secara teroritis dan praktik. Uji teoritis dengan siswa menjawab pertanyaan

yang pada soal evaluasi, sedangkan uji praktik dengan meminta siswa

mendemontrasikan/ mempresentasikan kompetensi yang harus dimiliki dan guru/

instruktur menilai berdasarkan lembar observasi yang ada.

B. Prasyarat

Bahan ajar ini merupakan kompetensi dasar dalam bidang kelistrikan mesin dan

konversi energi, sehingga tidak menuntut prasyarat untuk mempelajarinya.

C. Petunjuk Penggunaan

1. Petunjuk Bagi Siswa

a. Lakukan cek kemampuan untuk mengetahui kemampuan awal yang anda kuasai,

sebelum membaca bahan ajar lebih lengkap.

b. Bacalah bahan ajar secara seksama pada setiap kegiatan belajar, bila ada uraian

yang kurang jelas silakan bertanya pada guru/ instruktur.

c. Kerjakan setiap test formatif pada setiap kegiatan belajar, untuk mengetahui

seberapa besar pemahaman saudara terhadap materi yang disampaikan,

klarifikasi hasil jawaban saudara pada kumpulan lembar jawaban yang ada.

d. Lakukan latihan setiap sub kompetensi sesuai dengan lembar kerja yang ada.

e. Perhatikan petujuk keselamatan kerja dan pertolongan pertama bila terjadi

kecelakaan kerja yang termuat pada lembar kerja.

Page 10: Konversi Energi

3

f. Lakukan latihan dengan cermat, teliti dan hati-hati. Jangan melakukan pekerjaan

yang belum anda pahami dengan benar.

g. Bila saudara merasa siap mintalah guru/intruktur untuk menguji kompetensi

saudara.

2. Petunjuk Bagi Guru/Istruktur

a. Guru/ intruktur bertindak sebagai fasilitator, motivator, organisator dan

evaluator. Jadi guru/intruktur berperan:

b. Fasititator yaitu menyediakan fasilitas berupa informasi, bahan, alat, training

obyek dan media yang cukup bagi siswa sehingga kompetensi siswa cepat

tercapai.

c. Motivator yaitu memotivasi siswa untuk belajar dengan giat, dan mencapai

kompetensi dengan sempurna.

d. Organisator yaitu bersama siswa menyusun kegiatan belajar dalam mempelajari

bahan ajar, berlatih keterampilan, memanfaatkan fasilitas dan sumber lain untuk

mendukung terpenuhinya kompetensi siswa.

e. Evaluator yaitu mengevaluasi kegiatan dan perkembangan kompetensi yang

dicapai siswa, sehingga dapat menentukan kegiatan selanjutnya.

3. Pendekatan Saintifik

Proses pembelajaran untuk mencapai tujuan, yang dilakukan secara interaktif, inspiratif,

menyenangkan, menantang, memotivasi peserta didik untuk secara aktif menjadi

pencari informasi, serta memberikan ruang yang cukup bagi prakarsa, kreativitas, dan

kemandirian sesuai dengan bakat, minat dan perkembangan fisik serta psikologis

peserta didik.

Penggunaan metode yang disesuaikan dengan karakteristik peserta didik dan mata

pelajaran, yang meliputi proses observasi, menanya, mengumpulkan informasi, asosiasi,

dan komunikasi. Untuk pembelajaran yang berkenaan dengan KD yang bersifat

prosedur untuk melakukan sesuatu, guru memfasilitasi agar peserta didik dapat

melakukan pengamatan terhadap pemodelan/demonstrasi oleh guru atau ahli, peserta

didik menirukan, selanjutnya guru melakukan pengecekan dan pemberian umpan balik,

dan latihan lanjutan kepada peserta didik. Dalam setiap kegiatan guru harus

Page 11: Konversi Energi

4

memperhatikan kompetensi yang terkait dengan sikap seperti jujur, teliti, kerja sama,

toleransi, disiplin, taat aturan, menghargai pendapat orang lain. Cara pengumpulan data

sedapat mungkin relevan dengan jenis data yang dieksplorasi, misalnya di laboratorium/

bengkel, studio, lapangan, perpustakaan, museum, dan sebagainya.

1. Mengamati

Dalam kegiatan mengamati, guru membuka secara luas dan bervariasi kesempatan

peserta didik untuk melakukan pengamatan melalui kegiatan: melihat , menyimak,

mendengar, dan membaca. Guru memfasilitasi peserta didik untuk melakukan

pengamatan, melatih mereka untuk memperhatikan (melihat, membaca, mendengar) hal

yang penting dari suatu fenomena benda atau objek atau tayangan video.

2. Menanya

Selama kegiatan mengamati, guru membuka kesempatan secara luas kepada peserta

didik untuk bertanya mengenai apa yang sudah dilihat, disimak, dibaca atau dilihat.

Guru perlu membimbing peserta didik untuk dapat mengajukan pertanyaan: pertanyaan

tentang hasil pengamatan objek yang konkrit sampai kepada yang abstrak berkenaan

dengan fakta, konsep, prosedur, atau pun hal lain yang lebih abstrak. Pertanyaan yang

bersifat faktual sampai kepada pertanyaan yang bersifat hipotetik.

Dari situasi di mana peserta didik dilatih menggunakan pertanyaan dari guru, masih

memerlukan bantuan guru untuk mengajukan pertanyaan sampai ke tingkat di mana

peserta didik mampu mengajukan pertanyaan secara mandiri.

Dari kegiatan kedua dihasilkan sejumlah pertanyaan. Melalui kegiatan bertanya

dikembangkan rasa ingin tahu peserta didik. Semakin terlatih dalam bertanya maka rasa

ingin tahu semakin dapat dikembangkan.

Pertanyaan terebut menjadi dasar untuk mencari informasi yang lebih lanjut dan

beragam dari sumber yang ditentukan guru sampai yang ditentukan peserta didik, dari

sumber yang tunggal sampai sumber yang beragam.

3. Mengumpulkan dan mengasosiasikan

Tindak lanjut dari bertanya adalah menggali dan mengumpulkan informasi dari

berbagai sumber melalui berbagai cara. Untuk itu peserta didik dapat membaca buku

Page 12: Konversi Energi

5

yang lebih banyak, memperhatikan fenomena atau objek yang lebih teliti, atau bahkan

melakukan eksperimen. Dari kegiatan tersebut terkumpul sejumlah informasi.

Informasi tersebut menjadi dasar bagi kegiatan berikutnya yaitu memeroses informasi

untuk menemukan keterkaitan satu informasi dengan informasi lainnya, menemukan

pola dari keterkaitan informasi dan bahkan mengambil berbagai kesimpulan dari pola

yang ditemukan.

4. Mengkomunikasikan hasil

Kegiatan berikutnya adalah menuliskan atau menceritakan apa yang ditemukan dalam

kegiatan mencari informasi, mengasosiasikan dan menemukan pola. Hasil tersebut

disampikan di kelas dan dinilai oleh guru sebagai hasil belajar peserta didik atau

kelompok peserta didik tersebut.

D. Tujuan Akhir

Tujuan akhir dari bahan ajar ini adalah siswa mempunyai kompetensi:

1. Menjelaskan prinsip kerja motor 2 tak dan 4 tak

2. Menjelaskan fungsi bagian-bagian utama motor bakar

3. Menjelaskan prestasi mesin motor bakar

4. Menjelaskan cara kerja turbin air

5. Menguraikan konstruksi turbin air

6. Menjelaskan cara kerja generator listrik

Page 13: Konversi Energi

6

E. Kompetensi Inti dan Kompetensi Dasar

Kompetensi inti dan kompetensi dasar yang harus dikuasai oleh siswa minimal semua

kompetensi yang dipersyaratkan dalam kurikulum nasional sebagaimana table peta

dibawah ini.

Kompetensi Inti Dan Kompetensi Dasar

Mata Pelajaran Dasar Kelistrikan Mesin & Konversi Energi

KOMPETENSI INTI (KELAS X) KOMPETENSI DASAR

KI-1

Menghayati dan mengamalkan ajaran

agama yang dianutnya

Mensyukuri kebesaran ciptaan Tuhan YME

dengan mengaplikasikan pengetahuan,

keterampilan dan sikap mengenai kelistrikan

mesin dan konversi energi dalam kehidupan

sehari-hari

Mengamalkan nilai-nilai ajaran agama

sebagai bentuk rasa syukur dalam

mengaplikasikan pengetahuan, keterampilan

dan sikap mengenai kelistrikan mesin dan

konversi energi dalam kehidupan sehari-hari

KI-2

Menghayati dan mengamalkan perilaku

jujur, disiplin, tanggung jawab, peduli

(gotong royong, kerjasama, toleran,

damai), santun, responsif dan proaktif,

dan menunjukkan sikap sebagai bagian

dari solusi atas berbagai permasalahan

dalam berinteraksi secara efektif

dengan lingkungan sosial dan alam

serta dalam menempatkan diri sebagai

cerminan bangsa dalam pergaulan

dunia

Mengamalkan perilaku jujur, disiplin, teliti,

kritis, rasa ingin tahu, inovatif dan tanggung

jawab dalam dalam mengaplikasikan

pengetahuan, keterampilan dan sikap

mengenai kelistrikan mesin dan konversi

energi dalam kehidupan sehari-hari .

Menghargai kerjasama, toleransi, damai,

santun, demokratis, dalam menyelesaikan

masalah perbedaan konsep berpikir dalam

mengaplikasikan pengetahuan, keterampilan

dan sikap mengenai kelistrikan mesin dan

konversi energi dalam kehidupan sehari-hari .

Menunjukkan sikap responsif, proaktif,

konsisten, dan berinteraksi secara efektif

dengan lingkungan sosial sebagai bagian dari

solusi atas berbagai permasalahan dalam

melakukan tugas mengaplikasikan

pengetahuan, keterampilan dan sikap

mengenai kelistrikan mesin dan konversi

energi dalam kehidupan sehari-hari .

KI-3

Memahami, menerapkan dan

menganalisis pengetahuan faktual,

konseptual, dan prosedural berdasarkan

rasa ingin tahunya tentang ilmu

Memahami dasar motor bakar

Memahami prestasi mesin

Page 14: Konversi Energi

7

KOMPETENSI INTI (KELAS X) KOMPETENSI DASAR

pengetahuan, teknologi, seni, budaya,

dan humaniora dalam wawasan

kemanusiaan, kebangsaan,

kenegaraan, dan peradaban terkait

penyebab fenomena dan kejadian

dalam bidang kerja yang spesifik untuk

memecahkan masalah

Menjelaskan cara kerja turbin air

Menguraikan konstruksi turbin air

Menjelaskan cara kerja generator

KI-4

Mengolah, menalar, dan menyaji dalam

ranah konkret dan ranah abstrak terkait

dengan pengembangan dari yang

dipelajarinya di sekolah secara

mandiri, dan mampu melaksanakan

tugas spesifik di bawah pengawasan

langsung.

Mendeskripsikan dasar motor bakar.

Mendeskripsikan prestasi mesin

Mendeskripsikan cara kerja turbin air

Mendeskripsikan konstruksi turbin air

Mendeskripsikan cara kerja generator

Page 15: Konversi Energi

8

F. Cek Kemampuan

Kompetensi Dasar Pernyataan Jawaban Bila jawaban

ya, kerjakan Ya Tidak

1. Memahami dasar

motor bakar

2. Memahami prestasi

mesin

3. Menjelaskan cara

kerja turbin air

4. Menguraikan

konstruksi turbin air

5. Menjelaskan cara

kerja generator

6. Mendeskripsikan

dasar motor bakar.

7. Mendeskripsikan

prestasi mesin

8. Mendeskripsikan cara

kerja turbin air

9. Mendeskripsikan

konstruksi turbin gas

10. Mendeskripsikan cara

kerja generator

Page 16: Konversi Energi

9

BAB II PEMBELAJARAN

A. Deskripsi

Buku teks bahan ajar ini berjudul “Konversi Energi ” berisi empat bagian utama yaitu:

pendahuluan, pembelajaran, evaluasi, dan penutup yang materinya membahas sejumlah

kompetensi yang diperlukan untuk SMK Program Keahlian Teknik Mesin pada Paket

Keahlian Teknik Pemeliharaan Mekanik Industri pada kelas XI semester 3. Materi

dalam buku teks bahan ajar ini meliputi: Pemahaman mesin konversi energi,

Pengetahuan dasar motor bakar, pengetahuan dasar turbin dan pengetahuan dasar

generator listrik.

B. Kegiatan Belajar

1. Kegiatan Belajar 1 : Mengenal Prinsip Mesin Konversi Energi

a. Tujuan Kegiatan Belajar.

Setelah mempelajari bahan ajar ini siswa harus dapat :

1) Menjelaskan ciri-ciri proses mesin konversi energi dengan benar.

2) Menjelaskan besaran-besaran pokok termodinamika dengan benar.

3) Menjelaskan bentuk-bentuk energi yang ada di alam dengan benar

4) Menjelaskna sifat-sifat energi

5) Menjelaskan prinsip hukum termodinamika dan penerapannya dalam

bidang teknologi.

b. Uraian Materi

1. Proses Mesin Konversi Energi

Ilmu termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hubungan panas dengan

kerja. Dua besaran tersebut sangat penting untuk dipahami karakteristiknya

untuk pemahaman dasar keteknikan. Jadi jelas pengetahuan dasar

termodinamika sangat penting, karena dipakai untuk menganalisis kondisi

operasi berbagai alat atau mesin yang berhubungan dengan panas dan kerja.

2. Ciri-Ciri Mesin Konversi Energi

Page 17: Konversi Energi

10

Untuk menganalisis mesin-mesin panas atau mesin-mesin fluida, mesin-mesin

tersebut disebut dengan benda kerja. Fluida atau zat alir yang dipakai pada

benda kerja disebut dengan fluida kerja. Sebagai contoh untuk pompa sebagai

benda kerja, fluida kerjanya adalah zat cair (air, oli ), sedangkan kompresor,

fluida kerjanya adalah udara.

Untuk membedakan benda kerja dengan lingkungan sekitarnya, benda kerja

sering disebut dengan sistem, yaitu setiap bagian tertentu, yang volume dan

batasnya tidak perlu tetap, dimana perpindahan dan konversi energi atau massa

akan dianalisis. Adapun istilah-istilah yang sering disebut adalah sebagai

berikut.

Batas sistem adalah garis imajiner yang membatasi sistem dengan

lingkungannya

Sistem tertutup yaitu apabila sistem dan lingkungannya tidak terja

dipertukaran energi atau massa, dengan kata lain energi atau massa tidak

melewati batas-batas sistem.

Sistem terbuka yaitu apabila energi dan massa dapat melintasi atau

melewati batas-batas sistem. Sistem dengan lingkungannya ada interaksi

3. Besaran Sistem Termodinamika dan Keadaan Sistem

Dalam pembahasan setiap masalah yang berhubungan dengan kejadian-kejadian

alam atau suatu proses fisika alam, untuk memudahkan pemahaman masalah

tersebut, pemodelan matematis banyak digunakan. Pemodelan matematik adalah

suatu metode untuk mecari hubungan antara faktor-faktor fisik yang satu dengan

yang lainnya menggunakan simbol-simbol dan koordinat matematik. Dengan

pemodelan tersebut, akan diperoleh suatu rumusan matematik yang dapat

mewakili permasalahan fisik sacara kuantitatif.

Page 18: Konversi Energi

11

`

Gambar 2.1 Grafik proses keadaan termodinamik

Dalam ilmu termodinamika koordinat-koordinat atau besaran fisik akan selalu

melingkupi semua rumusan termodinamika adalah Voume V, Temperatur T,

Tekanan p, Kerapatan r dan besaran-besaran lainnya. Besaran- besaran ini akan

mempengaruhi berbagai keadaan system termodinamika. Misalkan, sistem

motor bakar akan berubah keadaannya apabila tekanan p kompresinya turun,

yaitu tenaga yang dihasilkan berkurang. Perubahan keadaan temodinamika

digambarkan pada grafik hubungan tekanan dengan volume atau tekanan dengan

temperatur.

Contoh perubahan keadaan termodinamika yaitu perubahan keadaan pada

temperatur tetap (isotermis), penggambarannya pada grafik p-v dan p-t adalah

sebagai berikut Dari gambar di atas terlihat bahwa terjadi perubahan besaran

pada keadaan satu ke keadaan dua. Perubahan tersebut akan tetap berlangsung

sebelum ada proses keadaan yang lainnya. Proses keadaan selalu mempunyai

satu atau lebih karakteristik yang spesifik. Sebagai contoh untuk proses keadaan

isotermis, karakteristik yang pasti khusus adalah tidak ada perubahan temperatur

selama proses.

Dalam termodinamika, besaran sistem dibagi menjadi dua yaitu besaran

ekstensif dan besaran intensif. Adapun definisi masing-masing besaran adalah

sebagai berikut.

[1] Besaran ekstensif, adalah besaran yang dipengarui oleh massa atau mol

sistem. Contoh volume, kapasitas panas, kerja, entropi. Dari besaran-

besaran ekstensif diperoleh harga-harga jenis (spesifik value). Harga jenis

adalah perbandingan antara besaran ekstensif dengan massa sistem atau zat.

Page 19: Konversi Energi

12

[2] Besaran intensif, adalah besaran yang tidak dipengarui oleh massa sistem.

Contoh: tekanan, temperatur, dan lainnya

4. Besaran-besaran pokok termodinamika

Besaran temperatur dan tekanan adalah besaran yang menjadi pokok dari sistem

termodinamika, karena hubungan antar keduanya sangat penting untuk

mecirikan proses keadaan sistem. Disamping itu besaran temperatur dan tekanan

adalah besaran dari hasil pengukuran

secara langsung dari suatu proses keadaan sistem. Hal ini berbeda dengan

besaran lainnya yang tidak berdasarkan pengukuran, tetapi diturunkan dari

besaran temperatur dan tekanan. Sebagai contoh, kerja adalah besaran turunan

dari tekanan atau temperatur.

1. Kerja pada volume konstan W=m.R.DT

2. Kerja pada tekanan kostan W= pDV

5. Bentuk-bentuk energi

Energi adalah suatu besaran turunan dengan satuan N.m atau Joule. Energi dan

kerja mempunyai satuan yang sama. Sedangkan kerja dapat didefinisikan

sebagai usaha untuk memindahkan benda sejauh S (m) dengan gaya F (Newton).

Sedang bentuk-bentuk energi lain

dijelaskan di bawah ini :

Energi Kinetik ; energi suatu benda karena bergerak dengan kecepatan V,

sebagai contoh , mobil yang bergerak, benda jatuh dan lain-lain , maka energinya

dapat ditulis

Page 20: Konversi Energi

13

Gambar 2.2 Pergerakan mobil dan Energi kinetik

Energi potensial adalah energi yang tersimpan pada benda karena

kedudukannya. Sebagai contoh, energi potensial air adalah energi yang dimiliki

air karena ketinggiannya dari permukaan.

Ep = m.g.h

Energi potesial pegas adalah energi yang dimiliki oleh benda yang

dihubungkan dengan pegas untuk berada pada kedudukan tertentu karena

penarikan pegas.

Ep = 0,5.k.x2

Energi mekanik adalah energi total yaitu penjumlahan antara energi kinetik

dengan energi potesial.

Em = Ek + Ep

Adapun energi atau kerja mekanik pada mesin-mesin panas, adalah kerja yang

dihasilkan dari proses ekspansi atau kerja yang dibutuhkan proses kompresi.

Kerja mekanik (dW) tersebut sebanding dengan perubahan volume (dV) pada

tekanan (p) tertentu.

DW = pDV

Page 21: Konversi Energi

14

Sebagai contoh energi ini secara sederhana adalah pergerakan piston, putaran

poros engkol, dan lain lain.

Gambar 2.3 Energi atau kerja pada piston

Energi mekanik pada benda-benda yang berputar misalnya poros mesin-mesin

fluida (turbin, pompa, atau kompresor) dinamakan Torsi, yaitu energi yang

dbutuhkan atau dihasilkan benda untuk berputar dengan gaya sentrifugal F

dimana energi tersebut pada r tertentu dari pusat putaran.

T= Fx r

Gambar 2.4 Energi mekanik poros turbin gas

Energi Aliran atau kerja aliran adalah kerja yang dilakukan oleh fluida yang

mengalir untuk mendorong sejumlah massa m ke dalam atau ke luar sistem.

W energi aliran = pV

Page 22: Konversi Energi

15

Panas (Q) yaitu energi yang ditransfer ke atau dari subtansi karena perbedaan

temperatur. Dengan c panas jenis pada tekanan konstan atau volume konstan,

energi ini dirumuskan:

Q = mcDT

Energi dalam (U); energi dari gas karena pergerakan pada tingkat molekul,

pada gas ideal hanya dipengaruhi oleh temperatur saja.

Entalpi (H); sejumlah panas yang ditambahkan pada 1 mol gas pada tekanan

konstan, dengan cp panas jenis pada tekanan konstan, dapat dirumuskan:

H mc T pD = D

Energi yang tersedia ; bagian dari panas yang ditambahkan ke sistem yang

dapat diubah menjadi kerja. Perbandingan antara jumlah energi tersedia yang

dapat diubah menjadi kerja dengan energi yang dimasukkan sistem adalah

konsep efisiensi.

6. Sifat energi

Energi di alam adalah kekal artinya energi tidak dapat diciptakan dan

dimusnahkan tetapi hanya dapat diubah dari energi satu ke energi lainnya

(Hukum kekekalan energi). Ilmu yang mempelajari perubahan energi dari energi

satu ke lainnya disebut dengan ilmu konversi energi.

Tingkat keberhasilan perubahan energi disebut dengan efisiensi. Adapun sifat-

sifat energi secara umum adalah :

a. Transformasi energi, artinya energi dapat diubah menjadi bentuk lain,

misalkan energi panas pembakaran menjadi energi mekanik mesin

Gambar 2.4 Konversi energi panas menjadi energi mekanik

Page 23: Konversi Energi

16

Contoh yang lain adalah proses perubahan energi atau konversi energi pada

turbin dan pompa. Perubahan energi pada turbin adalah sebagai berikut, energi

fluida (energi kinetik fluida) masuk turbin dan berekspansi, terjadi perubahan

energi yaitu dari energi fluida menjadi energi mekanik putaran poros turbin.

Kemudian, putaran poros turbin memutar poros generator listrik, dan terjadi

perubahan energi kedua yaitu dari energi mekanik menjadi energi listrik.

Gambar 2.5 Konversi energi pada pompa atau kompresor

Pada Gambar 2.5 terlihat proses konversi energi dari energi listrik menjadi

energi fluida. Prosesnya yaitu energi listrik akan diubah menjadi energi mekanik

pada motor listrik, energi mekanik tersebut berupa putaran poros motor listrik

yang akan diteruskan ke poros pompa. Pada pompa terjadi perubahan energi

mekanik menjadi energi fluida, fluida yang ke luar dari pompa mempunyai

energi yang lebih tinggi dibanding sebelum masuk pompa.

Page 24: Konversi Energi

17

Gambar 2.6 Pompa sebagai mesin Konversi energi

2. Transfer energi, yaitu energi panas (heat) dapat ditransfer dari tempat satu

ke tempat lainnya atau dari material satu ke material lainnya.

Gambar 2.7 Tranfer energi panas dari tungku ke air di panic

3. Energi dapat pindah ke benda lain melalui suatu gaya yang menyebabkan

pergeseran, sering disebut dengan energi mekanik, seperti yang telah dibahas di

bab sebelumnya. W = FxS

Page 25: Konversi Energi

18

Gambar 2.8 Energi mekanik pergeseran rotasi ( angular)

Page 26: Konversi Energi

19

Ganbar 2.9 Mesin-mesin konversi energi dengan kerja poros

Energi mekanik putaran poros adalah yang paling sering digunakan untuk

perhitungan mesin-mesin konversi energi, karena hampir sebagian besar mesin-

mesin konversi adalah mesin-mesin rotari. Alasan pemilihan gerak putaran

poros mesin (mesin rotari) sebagai transfer energi atau kerja dibanding dengan

putaran bolak-balik (reciprocating) adalah karena gerak rotari mempunyai

efisiensi mekanik yang tinggi, getaran rendah, dan tidak banyak memerlukan

komponen mesin yang rumit. Energi atau kerja langsung dapat ditransfer atau

diterima peralatan tanpa peralatan tambahan.

Energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan.

Page 27: Konversi Energi

20

7. Hukum Termodinamika

7.1 Hukum termodinamika I

Hukum pertama termodinamika adalah hukum konversi energi, hukum ini

menyatakan bahwa ENERGI TIDAK DAPAT DICIPTAKAN ATAU

DILENYAPKAN, energi hanya dapat diubah dari bentuk satu ke bentuk

lainnya.

Gambar 2.10 Dinamika perubahan energi pada suatu benda kerja

Hukum pertama Termodinamika dapat ditulis sebagai berikut ;

EP1 + EK1 + ED1 + EA1 + = EP2 + EK2 + ED2 + EA2 +

Untuk sistem terbuka dimana ada pertukaran energi dan massa dari sitem ke

lingkungan atau sebaliknya, maka persamaan energi di atas dapat dijabarkan

sebagai berikut

Page 28: Konversi Energi

21

Jadi Hukum termo pertama dapat diutuliskan secara sederhana dengan

persamaan berikut (untuk sistem terbuka) masuk keluar E = E atau DEP +

DEK + DH + DQ = DW

Gambar 2.11 Proses perubahan energi pada sistem terbuka

Jika Hukum termodinamika pertama dituliskan secara sederhana untuk

sistem tertutup, dimana massa tidak dapat melintas batas sistem, maka suku

EP, EK dan EA dapat dihilangkan dari persamaan. Persamaan dapat ditulis

kembali menjadi:

DEP + DEK + DpV + DQ = DW + DU DQ = DW + DU

Jadi untuk sistem tertutup persamaannya menjadi DQ = DW + DU

Gambar 2.12 Proses perubahan energi pada sistem tertutup

Contoh-contoh aplikasi hukum termodinamika I

Hukum-hukum termodinamika yang sudah diuraikan di atas adalah sangat

berguna dalam menganalisis persoalan mesin-mesin konversi energi sederhana,

sebagai contoh di bawah ini diuraikan pemodelan termodinamikanya.

7.1.1 Konversi energi pada turbin

Turbin adalah salah satu mesin konversi energi yang cukup penting.Turbin di

industri biasanya turbin uap atau gas. Keduanya merupakan alat ekspansi yang

Page 29: Konversi Energi

22

menghasilkan kerja mekanik poros. Di bawah ini ditunjukkan perhitungan kerja

turbin sederhana.

Gambar 2.13 Konversi energi pada turbin

Pada turbin terjadi proses ekspansi adiabatis sehingga DQ = 0 DEP dan DEK =0

7.1.2 Konversi pada pompa

Pompa juga merupakan alat mesin konversi energi, tetapi mesin ini banyak

diaplikasikan sebagai alat bantu proses konversi. Sebagai contoh pompa banyak

dipakai sebagai alat sirkulasi air pada instalasi pembangkit daya tenaga uap.

Pompa bekerja dengan penggerak dari luar. Jadi mesin ini adalah pengguna

energi. Di bawah ini diberikan persoalan tentang pompa sentrifugal sederhana.

Gambar 2.14 Konversi pada pompa

Page 30: Konversi Energi

23

DEP + DEK + DH + DQ = DW

dengan

DEP + DEK + DQ = 0 DU = 0 DH = DpV

maka kerja yang dibutuhkan pompa adalah

7.2 Hukum termodinamika II

Tidak mungkin membuat siklus mesin yang mengubah energi panas yang

ditambahkan, semuanya menjadi kerja. Konsep efisiensi seperti yang telah

disebutkan yaitu:

Gambar 2.15 Skema sederhana dari hukum termodinamika II

Aplikasi prinsip-prinsip dasar termodinamika pada mesin menggunakan fluida

kerja yang dianggap ideal. Perumusannya adalah sebagai berikut:

pv = mRT

dengan

R = Ru/M ( Konstanta gas)

Page 31: Konversi Energi

24

= 0,2870 kJ/Kg.K ( untuk udara)

Ru = 8,31447 kJ/kmol.K (konstanta gas ideal)

8. Persamaan keadaan gas ideal

Gas ideal adalah gas yang dalam setiap keadaan mematuhi persamaan keadaan

gas ideal yaitu:

pV =mRT

pv =RT

dengan R = adalah konstanta gas spesifik, untuk udara R = 286,8 J/KgK

Pada suatu siklus termodinamika persamaan keadaan prosesnya selalu berubah

mengikuti beberapa proses yang saling terkait. Ada tiga besaran yang selalu

terkait dan dapat diukur langsung yaitu tekanan (p), temperatur (T) dan volume

(V). Adapun proses keadaan termodinamika adalah sebagai berikut.

8.1 Proses volume konstan

Gambar 2.16 Diagram p-v proses tekanan konstan

8.2 Proses temperatur konstan

Pada proses ini konstanta n pada politropik berharga n = 1 dan T= C

Page 32: Konversi Energi

25

Gambar 2.17 Diagram p-v proses temperatur konstan

8.3 Proses Adiabatis (dq = 0)

Pada proses ini konstanta n pada politropik berharga n = 1 dan T= C

Gambar 2.18 Diagram p-v proses adiabatik

8.4 Proses politropik ;

secara umum pesamaan keadaan gas ideal dapat dirumuskan sebagai berikut

Gambar 2.19 Diagram p-v proses politropik

Page 33: Konversi Energi

26

c. Rangkuman

1. Mesin Konversi energi memiliki ciri antara lain : adanya proses

mengubah energi (padat, cair, gas) yang digunakan menjadi energi

bentuk lain (mekanik, panas, dll)

2. Pemodelan matematik adalah suatu metode untuk mecari hubungan

antara faktor-faktor fisik yang satu dengan yang lainnya menggunakan

simbol-simbol dan koordinat matematik. Dalam ilmu termodinamika

koordinat-koordinat atau besaran fisik akan selalu melingkupi semua

rumusan termodinamika adalah Voume V, Temperatur T, Tekanan p,

Kerapatan r dan besaran-besaran lainnya.

3. Kerja adalah besaran turunan dari tekanan atau temperatur pada

termodinamika.

1. Kerja pada volume konstan W=m.R.DT

2. Kerja pada tekanan kostan W= pDV

4. Bentuk energi yang ada di alam antara lain:

Energi adalah suatu besaran turunan dengan satuan N.m atau

Joule. Energi dan kerja mempunyai satuan yang sama

Energi Kinetik ; energi suatu benda karena bergerak dengan

kecepatan V

Energi potensial adalah energi yang tersimpan pada benda

karena kedudukannya.

Energi potesial pegas adalah energi yang dimiliki oleh benda

yang dihubungkan dengan pegas untuk berada pada kedudukan

tertentu karena penarikan pegas.

Energi mekanik pada benda-benda yang berputar misalnya

poros mesin-mesin fluida (turbin, pompa, atau kompresor)

dinamakan Torsi, yaitu energi yang dibutuhkan atau dihasilkan

benda untuk berputar dengan gaya sentrifugal F dimana energi

tersebut pada r tertentu dari pusat putaran.

Energi Aliran atau kerja aliran adalah kerja yang dilakukan

oleh fluida yang mengalir untuk mendorong sejumlah massa m ke

dalam atau ke luar sistem.

Energi Panas (Q) yaitu energi yang ditransfer ke atau dari

subtansi tertentu karena perbedaan temperatur.

Energi dalam (U); energi dari gas karena pergerakan pada

tingkat molekul, pada gas ideal hanya dipengaruhi oleh

temperatur saja.

Page 34: Konversi Energi

27

Entalpi (H); sejumlah panas yang ditambahkan pada 1 mol gas

pada tekanan konstan, dengan cp panas jenis pada tekanan

konstan

Energi yang tersedia ; bagian dari panas yang ditambahkan ke

sistem yang dapat diubah menjadi kerja.

5. Sifat energi adalah dapat ditransformasi dan ditransfer dan dapat

dipidahkan kebenda lain.

6. Hukum termodinamika I adalah hukum konversi energi yang

menyatakan bahwa ENERGI TIDAK DAPAT DICIPTAKAN ATAU

DILENYAPKAN, energi hanya dapat diubah dari bentuk satu ke bentuk

lainnya.

d. Tugas

1. Jelaskan ciri-ciri proses mesin konversi energi dan berilah contoh dalam

kehidupan di sekitar kita . . .?

2. Jelaskan dengan singkat tentang besaran pokok termodinamika. . .?

3. Uraikan denga jelas dan singkat bentuk-bentuk energi yang ada di

sekitar kita . . . ?

4. Uraikan 3 sifat-sifat energi dengan singkat . . . ?

5. Jelaskan prinsip hukum termodinamika pertama dan penerapannya dalam

bidang teknologi. . . . . . ?

Page 35: Konversi Energi

28

2. Kegiatan Belajar 2 : Pengetahuan Dasar Motor Bakar

a. Tujuan Pembelajaran :

Setelah mempelajari secara keseluruhan materi kegiatan belajar dalam modul ini

peserta diklat diharapkan mampu :

1) Menjelaskan prinsip dan cara kerja motor bensin 2 tak maupun 4 tak,

2) Menjelaskan prinsip kerja dari motor diesel 4 tak,

3) Menjelaskan prinsip kerja sistem bahan bakar,

4) Menjelaskan proses perhitungan daya motor,

5) Menjelaskan konstruksi dan fungsi bagian utama Engine,

b. Uraian Materi :

Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin konversi energi yang banyak

dipakai sebagai penggerak kendaran (otomotif) atau sebagai penggerak peralatan

industri [gambar 2.1]. Dengan memanfaatkan energi kalor dari proses

pembakaran menjadi energi mekanik. Motor bakar merupakan salah satu jenis

mesin kalor yang proses pembakarannya terjadi dalam motor bakar itu sendiri

sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus sebagai fluida kerjanya. Mesin

yang bekerja dengan cara ini disebut mesin pembakaran dalam (internal

combustion engine) [gambar 2.1]. Adapun mesin kalor yang cara memperoleh

energinya dengan proses pembakaran di luar disebut mesin pembakaran luar

(external combustion engine). Sebagai contoh mesin uap [gambar 2.2], dimana

energi kalor diperoleh dari pembakaran luar, kemudian dipindahkan ke fluida

kerja melalui dinding pemisah.

Page 36: Konversi Energi

29

Gambar 2.20 Mesin pembakaran dalam

Keuntungan dari mesin pembakaran dalam dibandingkan dengan mesin

pembakaran luar adalah konstruksinya lebih sederhana, tidak memerlukan fluida

kerja yang banyak dan efisiensi totalnya lebih tinggi. Sedangkan mesin

pembakaran luar keuntungannya adalah bahan bakar yang digunakan lebih

beragam, mulai dari bahan bakar padat sampai bahan-bakar gas, sehingga mesin

pembakaran luar banyak dipakai untuk ke luaran daya yang besar dengan banan

bakar murah. Pembangkit tenaga listrik banyak menggunakan mesin uap. Mesin

uap tidak banyak dipakai untuk kendaran transport karena konstruksinya yang

besar dan memerlukan fluida kerja yang banyak.

Page 37: Konversi Energi

30

Gambar 2.21 Mesin pembakaran dalam

Page 38: Konversi Energi

31

Gambar 2.22 Mesin pembakaran luar

Page 39: Konversi Energi

32

1. Sejarah Motor Bakar

Sejarah motor bakar mengalami perkembangan yang menggembirakan sejak tahun

1865. Pada tahun tersebut Lenoir mengembangkan mesin pembakaran dalam tanpa

proses kompresi [Gambar 2.4]. Campuran bahan bakar dihisap masuk silinder dan

dinyalakan sehingga tekanan naik, selanjutnya gas pembakaran berekspansi yang

mendorong piston. Langkah berikutnya gas pembakaran dibuang, piston kembali

bergerak menghisap campuran bahan bakar udara dengan menggunakan energi yang

tersimpan dalam roda gila. Mesin Lenoir pada tahun 1865 diproduksi sebanyak 500

buah dengan daya 1,5 hp pada putaran 100 rpm.

Gambar 2.23 Mesin Lenoir

Mesin berikutnya yang lebih efesien dari mesin Lenoir adalah Otto langen

engine [Gambar 2.5, 2.6, 2.7]. Mesin ini terdiri dari piston yang tidak

dihubungkan dengan poros engkol, tetapi piston bergerak bebas secara vertikal

pada proses ledakan dan tenaga. Setelah itu, secara gravitasi piston bergerak

turun dan terhubung dengan gigi pinion diteruskan ke roda gila. Selanjutnya

energi yang tersimpan dalam roda gila digunakan oleh piston untuk energi

langkah hisap. Pada langkah hisap campuran bahan bakar udara masuk silinder

untuk pembakaran.

Page 40: Konversi Energi

33

Gambar 2.24 Otto langen engin generasi pertama

Page 41: Konversi Energi

34

Gambar 2.25 Otto langen engin generasi kedua

Konsep-konsep untuk menaikkan efisiensi mesin pembakaran dalam terus

dialakukan oleh para peneliti . Pada tahun 1862 di Prancis, Beau de Rochas

menulis prinsip dasar untuk efisiensi sistem mesin pembakaran dalam. Adapun

prinsip dasar dari mesin Rochas adalah sebagai berikut [Gambar 2.7]

Langkah pertama adalah langkah hisap pada waktu piston bergerak menjauh

ruang bakar. Campuran bahan bakar udara masuk ruang bakar.

Langkah kedua adalah mengkompresi campuran bahan bakar udara selama

piston bergerak menuju ruang bakar.

Langkah ke tiga adalah penyalaan dan pembakaran, terjadi ekspansi dan piston

bergerak menjauh dari ruang bakar.

Langkah ke empat adalah pembuangan pada waktu piston menuju ruang bakar.

Tahun 1876 oleh orang jerman Nicolas August Otto membuat mesin dengan

konsep Beau de Rochas, dan mengajukan paten atas namanya [Gambar 2.8 ,

2.9]. Mulai saat itu, semua mesin yang dibuat sama dengan mesin Otto, sehingga

sampai sekarang siklus yang terkenal adalah siklus Otto. Untuk mesin Otto

modern adalah pad Gambar 2.10

Page 42: Konversi Energi

35

Gambar 2.26 Prinsip kerja mesin dengan konsep Beau de Rochas

Page 43: Konversi Energi

36

Gambar 2.28 Mesin Otto pertama

Gambar 2.29 Mesin Otto horizontal

Pada mesin 4 langkah untuk setiap siklusnya ada satu langkah tenaga dan dua

putaran poros engkol. Pada tahun 1881 Dugald Clerk mematenkan mesin 2

langkah yang menghasilkan 1 langkah tenaga dalam satu putarannya. Prinsip

Page 44: Konversi Energi

37

kerjanya mengikuti siklus otto, proses ekpansi, pembuangan dan pengisian

terjadi pada waktu piston menuju titik mati bawah, sebaliknya proses kompresi

dan penyalaan terjadi pada waktu piston menuju titik mati atas.

Pada tahun 1892 Rudolf Diesel (Jerman), membuat konsep sekaligus membuat

mesinnya dengan prinsip penyalaan kompresi. Udara dimasukkan ke dalam

silinder kemudian dikompresi sampai temperaturnya naik. Sebelum piston

mencapai titik mati atas, bahan bakar disemprotkan sehingga terjadi proses

pencampuran dengan udara bertemperatur tinggi. Karena temperatur nyala

bahan bakar tercapai, terjadilah proses penyalaan sendiri, selanjutnya

berlangsung proses pembakaran. Langkah tenaga terjadi pada waktu piston

mulai bergerak dari titik mati atas menuju titik mati bawah. Efisiensi mesin

Diesel sekitar 26,2 % menggunakan bahan bakar solar. Pada Gambar 2.11

adalah mesin diesel modern. Dalam perkembanganya mesin 2 langkah juga

dapat diaplikasikan pada mesin diesel [Gambar 2.12]

Gambar 2.30 Dasar kerja dari mesin Diesel

Page 45: Konversi Energi

38

Gambar 2.31 Mesin Diesel modern

Gambar 2.32 Mesin Diesel 2 langkah

Page 46: Konversi Energi

39

2. Siklus 4 Langkah dan 2 Langkah

2.1 Siklus 4 langkah

MESIN OTTO

MESIN DIESEL

Gambar 2.33 Proses kerja mesin 4 langkah Otto dan Diesel

Motor bakar bekerja melalui mekanisme langkah yang terjadi berulang-ulang

atau periodik sehingga menghasilkan putaran pada poros engkol. Sebelum

terjadi proses pembakaran di dalam silinder, campuran udara dan bahan-bakar

harus dihisap dulu dengan langkah hisap [1]. Pada langkah ini, piston bergerak

dari TMA menuju TMB, katup hisap terbuka sedangkan katup buang masih

tertutup.

Setelah campuran bahan-bakar udara masuk silinder kemudian dikompresi

dengan langkah kompresi [2], yaitu piston bergerak dari TMB menuju TMA,

kedua katup hisap dan buang tertutup. Karena dikompresi volume campuran

menjadi kecil dengan tekanan dan temperatur naik, dalam kondisi tersebut

campuran bahan-bakar udara sangat mudah terbakar. Sebelum piston sampai

Page 47: Konversi Energi

40

TMA campuran dinyalakan dan terjadilah proses pembakaran menjadikan

tekanan dan temperatur naik, dan piston masih naik terus sampai TMA sehingga

tekanan dan temperatur semakin tinggi. Setelah sampai TMA kemudian torak

didorong menuju TMB dengan tekanan yang tinggi, katup hisap dan buang

masih tertutup.

Selama piston bergerak menuju dari TMA ke TMB yang merupakan langkah

kerja [3] atau langkah ekspansi, volume gas pembakaran bertambah besar dan

tekanan menjadi turun. Sebelum piston mencapai TMB katup buang dibuka,

katup masuk masih tertutup. Kemudian piston bergerak lagi menuju ke TMA

mendesak gas pembakaran ke luar melalui katup buang.

Proses pengeluaran gas pembakaran disebut dengan langkah buang [4]. Setelah

langkah buang selesai siklus dimulai lagi dari langkah hisap dan seterusnya.

Piston bergerak dari TMA-TMB-TMA-TMB-TMA membentuk satu siklus. Ada

satu langkah tenaga dengan dua putaran poros engkol. Motor bakar yang bekerja

dengan siklus lengkap tersebut termasuk golongan motor 4 langkah.

2.2 Siklus 2 langkah

Gambar 2.34 Proses kerja mesin 2 langkah

Page 48: Konversi Energi

41

Langkah pertama, setelah terjadi pembakaran piston bergerak dari TMA menuju

TMB melakukan ekspansi, lubang buang mulai terbuka. Karena tekanan di

dalam silinder lebih besar dari lingkungan, gas pembakaran ke luar melalui

lubang buang. Piston terus begerak menuju TMB, lubang buang semakin

terbuka dan saluran bilas mulai terbuka. Bersamaan dengan kondisi tersebut

tekanan di dalam karter mesin lebih besar daripada di dalam silinder sehingga

campuran bahan bakar-udara menuju silinder melalui saluran bilas sambil

melakukan pembilasan gas pembakaran. Proses ini disebut pembilasan. Proses

ini berhenti pada waktu piston mulai begerak dari TMB menuju TMA dengan

lubang buang dan saluran bilas tertutup.

Langkah kedua, setelah proses pembilasan selesai, campuran bahan bakar masuk

ke dalam silinder kemudian dikompresi, posisi piston menuju TMA. Sesaat

sebelum piston sampai di TMA campran bahanbakar dan udara dinyalakan

sehingga terjadi proses pembakaran. Siklus kembali lagi ke proses awal seperti

diuraikan di atas.

Dari uraian di atas terlihat piston melakukan dua kali langkah yaitu dari:

[1] TMA menuju TMB; proses yang terjadi: ekspansi dan pembilasan

(pembuangan dan pengisian)

[2] TMB menuju TMA; proses yang terjadi: kompresi dan penyalaan

Pembakaran

Page 49: Konversi Energi

42

3. Konstruksi dan Bagian Motor Bakar

Gambar 2.15 menunjukkan mesin pembakaran dengan penyalaan busi. Silinder

terpasang pada blok silinder, dibagian atas ditutup dengan kepala sinder. Di

dalam silinder terdapat piston yang bergerak bolak-balik.

Gambar 2.35 Mesin pembakaran dalam

Ruang diantara bagian atas silinder dan titik mati atas piston disebut dengan

ruang bakar. Bahan bakar dan udara dicampur terlebih dahulu di karburator

kemudian masuk silinder melewati inlet manifold. Pada karburator terdapat

throttle untuk mengatur jumlah campuran bahan bakar udara masuk ruang bakar.

Pada kepala silinder terdapat katup masuk, katup buang dan busi. Katup masuk

berguna untuk memasukkan campuran bahan bakar dan udara dari karburator,

katup ke luar untuk pembuangan gas pembakaran, sedangkan busi untuk

penyalaan proses pembakaran.

Page 50: Konversi Energi

43

Gambar 2.36 Komponen-komponen mesin 4 tak dan 2 tak

Page 51: Konversi Energi

44

Gambar 2.37 Komponen mesin multi silinder

Page 52: Konversi Energi

45

Gambar 2.38 Komponen mesin tampak depan dan samping

Page 53: Konversi Energi

46

Gambar 2.39 Komponen mesin mekanik katup dan torak

Page 54: Konversi Energi

47

4. Siklus Termodinamika Motor Bakar

Analisis siklus termodinamika merupakan dasar penting dalam mempelajari motor

bakar. Proses kimia dan termodinamika yang terjadi pada motor bakar sangatlah

rumit untuk dianalisis, sehingga diperlukan suatu siklus yang diidealkan guna

memudahkan analisis motor bakar. Siklus yang diidealkan tentunya harus

mempunyai kesamaan dengan siklus sebenarnya, yaitu dalam hal urutan proses dan

perbandingan kompresinya. Di dalam siklus aktual, fluida kerja adalah campuran

bahan bakar udara dan produk pembakaran, akan tetapi di dalam siklus yang

diidealkan fluidanya adalah udara. Jadi siklus ideal dapat disebut dengan siklus

udara.

4.1 Siklus udara ideal

Penggunaan siklus ideal berdasarkan pada beberapa asumsi sebagai berikut:

Fluida kerja adalah udara yang dianggap sebagai gas ideal dengan kalor

sepesifik konstan (tidak ada bahan bakar)

Langkah hisap dan buang pada tekanan konstan

Langkah kompresi dan tenaga pada keadaan adiabatis

Kalor diperoleh dari sumber kalor dan tidak ada proses pembakaran atau tidak

ada reaksi kimia

Siklus udara pada motor bakar yang akan dibahas adalah

Siklus udara pada volume konstan ( Siklus Otto)

Siklus udara pada tekanan kostan ( Siklus Diesel)

Siklus udara tekanan terbatas ( Siklus gabungan )

4.2 Udara Volume Konstan

Siklus ideal volume kostan ini adalah siklus untuk mesin otto. Siklus volume

konstan sering disebut dengan siklus ledakan (explostion cycle) karena secara

teoritis proses pembakaran terjadi sangat cepat dan menyebabkan peningkatan

tekanan yang tiba-tiba. Penyalaan untuk proses pembakaran dibantu dengan

loncatan bunga api. Nicolas August Otto menggunakan siklus ini untuk membuat

mesin sehingga siklus ini sering disebut dengan siklus otto.

Page 55: Konversi Energi

48

Gambar 2.1 adalah diagram p-V untuk siklus ideal otto. Adapun urutan prosesnya

adalah sebagai berikut:

[1] Langkah hisap (0-1) merupakan proses tekanan konstan.

[2] Langkah kompresi (1-2) merupakan proses adiabatis Proses pembakaran volume

konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume kostan.

[3] Langkah kerja (3-4) merupakan proses adiabatis Proses pembuangan kalor (4-1)

dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konsatan

[4] Langkah buang (1-0) merupakan proses tekanan konstan, gas pembakaran

dibuang melalui katup buang

Gambar 2.40 Siklus udara volume konstan

Page 56: Konversi Energi

49

4.3 Siklus Udara Tekanan Konstan

Gambar 2.41 Siklus Udara Tekanan Konstan

Siklus ideal tekanan kostan ini adalah siklus untuk mesin diesel. Gambar 2.2

adalah diagram p-V untuk siklus ideal Disel. Adapun urutan prosesnya adalah

sebagai berikut:

[1] Langkah hisap (0-1) merupakan proses tekanan konstan.

[2] Langkah kompresi (1-2) merupakan proses adiabatis Proses pembakaran

tekanan konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada

tekanan konstan.

[3] Langkah kerja (3-4) merupakan proses adiabatis Proses pembuangan kalor

(4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konsatan

[4] Langkah buang (1-0) merupakan proses tekanan konstan

Dapat dilihat dari urutan proses di atas bahwa pada siklus tekanan kostan

pemasukan kalornya pada tekanan kostan. Berbeda dengan siklus volume

konstan diman proses pemasukan kalornya pada kondisi volume konstan. Siklus

Page 57: Konversi Energi

50

tekanan konstan sering disebut dengan siklus diesel. Rudolf Diesel yang pertama

kali merumuskan siklus ini dan sekaligus pembuat pertama mesin diesel. Proses

penyalaan pembakaran tejadi tidak menggunakan busi, tetapi terjadi penyalaan

sendiri karena temperatur di dalam ruang bakar tinggi karena kompresi.

MESIN OTTO

MESIN DISEL

Gambar 2.42 Mesin otto dan mesin disel

Page 58: Konversi Energi

51

4.4 Siklus Udara Gabungan

Perbedaan dari dua siklus yang telah diuraikan sebelumnya, yaitu pada proses

pembakaran dimana kalor dianggap masuk sistem. Sedangkan pada siklus yang

ketiga yaitu siklus gabungan, proses pemasukan kalornya menggunakan dua cara

yaitu pemasukan kalor volume konstan dan tekanan konstan. Dari cara pemasukan

kalornya terlihat bahwa siklus ini adalah gabungan antara siklus volume konstan dan

tekanan konstan, karena itu siklus ini sering disebut siklus gabungan Diagramnya p-

V dapat dilihat pada gambar di bawah.

Gambar 2.43 Siklus gabungan

Page 59: Konversi Energi

52

4.5 Siklus aktual

Gambar 2.5 di atas adalah siklus aktual dari mesin otto. Fluida kerjanya adalah

campuran bahan bakar dan udara, jadi ada proses pembakaran untuk sumber

panas.

Gambar 2.44 Siklus aktual otto

Pada langkah hisap, tekanannya lebih rendah dibandingkan dengan langkah

buang. Proses pembakaran dimulai dari penyalaan busi (ignition) sampai akhir

pembakaran. Proses kompresi dan ekspasi tidak adiabatis, karena terdapat

kerugian panas yang ke luar ruang bakar.

Page 60: Konversi Energi

53

Gambar 2.45 Siklus aktual disel

Gambar 2.6 di atas adalah siklus aktual dari mesin diesel. Pada mesin ini,

langkah hisap hanya udara saja, bahan bakar disemprotkan melalui nosel di

kepala silinder. Proses pembakaran untuk menghasilkan panas terjadi karena

kompresi.

4.6 Menghitung Efiseinsi Siklus Udara Ideal

Dari hukum termodinamika II dapat diketahui bahwa tidak mungkin membuat

suatu mesin yang dapat mengubah semua energi yang masuk menjadi kerja

semuanya. Dengan kata lain, harus ada sebagain energi yang kebuang ke

lingkungan. Jadi, kerja yang berguna adalah pengurangan dari jumlah energi

yang masuk dengan energi yang terbuang. Perbandingan antara kerja berguna

dengan jumlah energi yang masuk ke mesin adalah definisi dari efisiensi.

Page 61: Konversi Energi

54

Gambar 2.46 Bagan efisiensi kerja dari motor bakar

4.6.1 Efisiensi dari siklus Otto

Berdasarkan diagram p-V untuk siklus otto dapat digunakan untuk menganalisis

atau menghitung efisiensi siklus sebagai berikut. Energi kalor yang masuk pada

volume kostan adalah sebesar:

Definisi dari efisiensi yaitu kerja berguna dibagi dengan energi kalor masuk

Page 62: Konversi Energi

55

Apabila rasio kompresi didefinisikan sebagi perbandingan antara volume

silinder dibagi dengan volume ruang bakarnya yaitu:

maka rumusan efisiensi di atas dapat dituliskan sebagai

Gambar 2.47 Grafik efisiensi terhadap rasio kompresi mesin otto

Dapat dilihat dari Gambar 2.8, bahwa efisiensi siklus otto akan naik apabila kita

menaikkan rasio kompresinya. Kenaikan rasio kompresi mesin otto dibatasi oleh

peritiwa knocking, yaitu suara berisik karena terjadi ledakan dari pembakaran

spontan dari mesin otto. Knocking dapat menurunkan daya sehingga efisiensinya

pun menurun.

Page 63: Konversi Energi

56

4.6.2 Efisiensi siklus tekanan konstan

Dengan definisi yang sama untuk rasio kompresi, efisiensi dari siklus tekanan

konstan adalah sebagai berikut:

Dengan menaikkan rasio kompresi efisiensi siklus tekanan konstan atau diesel

semakin naik. Kenaikan rasio kompresi berarti tekanan kompresi juga tinggi

sehingga material yang dibutuhkan harus lebih kuat. Pada rasio kompresi yang

sama efisiensi mesin otto lebih tinggi dibandingkan dengan mesin diesel, akan

tetapi mesin otto tidak bekerja pada rasio kompresi disel karena terlalu tinggi.

5. Mesin Motor Bakar

Mesin merupakan suatu jenis pesawat kerja yang mengubah energi kima bahan

bakar menjadi energi mekanik. Untuk melakukan proses perubahan, mesin

mempunyai komponen-komponen yang bekerja kompak menjadi satu kesatuan.

Komponen mesin dibagi menjadi dua yaitu mesin dan kelengkapan mesin.

Komponen pertama mesin merupakan pembangkit tenaga, sedangkan yang kedua

merupakan komponen yang menjamin mesin bekerja dengan baik untuk

pembangkitan tenaga. Rincian komponen mesin adalah:

1. Blok silinder

2. Kepala silinder

3. Piston atau torak

4. Batang torak

5. Poros engkol

6. Bearing atau bantalan

7. Roda penerus

8. Mekanik Katup

Seperti telah disebutkan di atas bagian, komponen mesin yang pertama berfungsi

sebagai pembangkit tenaga. Proses ini berlangsung di dalam silinder. Sumber

Page 64: Konversi Energi

57

energi berasal dari energi kimia bahan bakar yang masuk melalui melalui

mekanisme katup di kepala silinder. Bahan bakar setelah masuk ke silinder

kemudian dibakar terjadilah proses pembakaran. Proses pembakaran menghasilkan

tekanan dan temperatur tinggi, kemudian terjadi ekpansi dan kompresi volume

sehingga torak terdorong menghasikan gerakan bolak-balik yang diteruskan ke

batang torak. Oleh batang torak gerakbolak-balik diubah menjadi gerakan rotasi

pada poros engkol. Poros engkol ditumpu dengan bantalan pada bak engkol

(crankcase) dan pada ujungnya dipasang roda penerus.

Gambar 2.48 Mesin dan komponen-komponennya

5.1 Blok Silinder

Blok silinder adalah bentuk dasar dari mesin, terbuat dari material besi cor,

tetapi dapat juga dengan paduan aluminium dengan tujuan mengurangi berat

mesin [Gambar 2.49]. Susunan silinder dipasang padablok silinder, kepala

silinder menutup bagian atas, bagian bawah terdapat bak engkol tempat

tumpuan poros engkol sumbu nok dan mekanik katup. Untuk mobil

berpendingin air, pada blok silineder terdapat lubang-lubang yang merupakan

mantel air tempat sirkulasi air pendingin yang mengelilingi susunan silinder.

Pada sisi blok dipasang kelengkapanklengkapan mesin seperti starter,

alternator, pompa bensin dan distributor

.

Page 65: Konversi Energi

58

Gambar 2.49 Blok silinder model in line

Gambar 2.50 Blok silinder model V-8

Page 66: Konversi Energi

59

Gambar 2.51 Model susunan blok silinder

5.2 Silinder

Silinder adalah bagian yang berfungsi sebagai tempat perpindahan tenaga

panas menjadi tenaga mekanik dengan gerakan torak bolak-balik karena

ekspansi dan kompresi. Karena proses pembakaran menghasilkan tekanan yang

tinggi dimungkinkan terjadi kebocoran gas ke luar ruang silinder menuju

bagian bawah mesin. Kebocoran dapat melalui celah antara dinding silinder

dengan ring pada torak. Kebocoran akan menurunkan tekanan sehingga mesin

kehilangan sebagian energinya. Kebocoran terjadi karena terjadi keausan

karena gesekan gerakan piston dengan dinding silinder. Untuk mengatasi

kondisi ini dinding silinder harus diperkeras atau dengan dilapisi chrome.

Apabila dinding silinder sudah mengalami keausan sehingga diameter silinder

bertambah, kebocoran akan membesar, tenaga mesin drop dan oli dapat masuk

ke dalam silinder. Untuk memperbaiki kondisi ini dinding silinder dibor

kembali. Karena dinding dibor sehingga diameternya bertambah diperlukan

torak yang sesuai dan lebih besar (oversize).

Metode untuk menghindari keausan yang sering digunakan adalah dengan

pemasangan pelapis silinder atau silinder liner [Gambar 2.50]. Keuntungan dari

silinder liner ini dalah lebih tahan dari keausan dan apabila terjadi kerusakan

dapat diganti, sehingga tidak ada metode pengeboran dengan torak oversize.

Model dari pelapis ini ada dua yaitu pelapis silinder basah dan pelapis silinder

kering. Pelapis silinder basah dikelilingi langsung dengan mantel air untuk

pendinginan, sedangkan pelapis silinder kering tidak berhubungan langsung

dengan mantel air.

Jumlah silinder

Untuk menaikkan daya mesin dibutuhkan volume silinder yang besar, tetapi

tidak praktis hanya dengan menggunakan satu silinder.Untuk tiu, mesin berdaya

besar pada umumnya digunakan multisilinder [Gambar 2.49, 2.50]. Jumlah

silinder biasanya genap antara 2 sampai 13. Untuk mesin di bawah 1000 cc

biasanya bersilinder 2 atau 4, sedangkan dari 1000 cc sampai 2000 cc besilinder

4 atau 6 dan di atas 2000 cc bersilinder 6 atau 8 silinder.

Page 67: Konversi Energi

60

Pada mesin 4 tak, setiap dua kali putaran poros engkol hanya menghasilkan satu

kali tenaga pada 3600, tetapi dengan multi silinder, misalkan mesin 4 tak 4

silinder setiap kali berputar 7200 maka pada setiap sudut engkol 1800 terjadi

langkah tenaga, sehingga sangat menguntungkan.

Gambar 2.52 Bentuk susunan silinder

Model susunan silinder bermacam-macam dan selalu mengalami perkembangan.

Bentuk susunan dimaksudkan untuk beberapa hal seperti mengurangi getaran,

memperkecil ukuran mesin sehingga beratnya turun, dan tujuan lainnya. Model

susunannya menggunakan model satu garis memanjang [Gambar 2.49], model V

[Gambar 2.50, 2.86], model beralawanan horizontal [gambar 2.52], dan ada juga

yang model melingkar [Gambar 2.52] untuk penggerak baling-baling pesawat

terbang konvesional.

Blok silinder dengan susunan model V, silinder-silinder tersusun lurus pada

kedua bagian blok silinder, silinder-silinder yang ada pada dua bagian blok

Page 68: Konversi Energi

61

menghadap poros engkol. Untuk mesin 8 silinder bentuk V, mempunyai 4

silinder pada masing masing sisinya. Keuntumgan dari model ini adalah geteran

mesin yang rendah karena mesin sangat balance dan ukuran mesin mejadi lebih

kecil dengan alasan jumlah silinder terbagi mejadi dua sisi.

Perbandingan antara diameter silinder dengan panjang langkah sangat penting

untuk perancangan. Ada tiga macam model:

[1] Mesin dengan D/L kecil atau L>D, dinamakan mesin langkah panjang.

Model mesin ini sangat menguntungkan bagi proses pembakaran, karena

langkahnya yang panjang, waktu bagi langkap hisap lebih lama sehingga

pencampuran bahan-bakar dan udara lebih baik. Kerugiannya adalah untuk

memperoleh putaran mesin yang sama, kecepatan piston mesin langkah

panjang lebih tinggi. Dapat dilihat dari rumus menghitung kecepatan rata-

rata yaitu U = 2xLxn. Untuk n yang sama terlihat mesin langkah panjang

kecepatan pistonnya lebih tinggi. Pada kecepatan piston yang tinggi gesekan

semakin besar sehingga mempercepat keausan.

[2] Mesin dengan D/L = 1 dinamakan square engine dan mesin dengan D/L > 1

dinamakan over square engine, mempunyai kelebihan karena kecepatan

piston rata-rata rendah sehingga keausan silinder dapat dihindari. Dengan

memperbesar diameter silinder, katup-katup menjadi lebih besar, efeknya

pada kecepatan piston yang tinggi efisiensi pengisian dipertahankan baik.

Kerugian dari model mesin ini adalah dengan semakin besar diameter

silinder, ruang bakarnya pun menjadi lebih luas, sehingga untuk kecepatan

rendah, efisiensi pembakaranya rendah, mesin mejadi dingin dan ada

kemungkinan mesin mati.

5.3 Bak engkol

Bak engkol terdapat pada bagian bawah blok silinder mesin [Gambar 2.53].

Pada bak engkol terdapat bantalan untuk tumpuan poros engkol. Sumbu nok

juga ada yang dipasang paralel dengan poros engkol. Pada bagian bawah bak

engkol terdapat pan oil atau karter. Karter berguna untuk menampung minyak

pelumas mesin dan terbuat dari baja press.

Page 69: Konversi Energi

62

Gambar 2.53 Bak engkol

5.4 Kepala silinder

Kepala silinder terletak di bagian atas kepala silinder [Gambar 2.54]. Terdapat

ruang bakar berbentuk cekungan, di kepala silinder juga terdapat lubang-

lubang untuk pemasangan busi dan mekanisme katup. Antara kepala silinder

dengan silinder diselipkan gasket. Fungsi gasket adalah untuk mencegah

kebocoran-kebocoran gas dari dalam silinder. Meterial gasket harus tahan

temperatur tinggi, biasanya terbuat dari plat tembaga yang dilapisi asbes.

Gambar 2.54 Kepala silinder

Ruang bakar yang terdapat pada kepala silinder adalah tempat proses

pembakaran, sehingga kepala silinder harus terbuat dari material yang tahan

pada temperatur dan tekanan tinggi. Material yang digunakan adalah besi cor

atau paduan aluminium yang dapat membatasi pemuian. Sama halnya dengan

blok silinder, kepala silinder juga ada yang dilengkapi dengan mantel air yang

terhubung dengan mantel air yang ada pada blok silinder. Mesin yang

Page 70: Konversi Energi

63

berpendingin udara pada kepala silindernya dipasang sirip-sirip untuk

pendiginan.

Bentuk ruang bakar

Ruang bakar seperti yang sudah disebutkan adalah ruangan dimana dimulai

proses pembakaran. Terdapat mekanisme katup dengan model bentuk katup

akan mempengaruhi ruang bakar. Pada umumnya ada tiga macam bentuk yaitu:

[1] Bentuk setengah lingkaran [gambar 2.55a]

Katup pada model ini mempunyai posisi katup di atas memusat pada sumbu

tengah silinder. Penempatannya tidak memakai banyak tempat, karena

mempunyai permukaan yang terkecil per unit volume, pengaruh panas yang

hilang juga minimal. Katup dapat dibuat lebih besar, sehingga pengisiannya

lebih efisien. Kerugian katup model ini adalah penyusunan mekanik katupnya

rumit dan pembuatannya tidak mudah. Ruang bakarnya membentuk kerucut dan

biasanya busi dipasangkan di bagian tengah.

[2]Model baji [gambar 2.55a]

Aliran udara model ini lebih ringan tanpa banyak halangan karena kelengkungan

saluran intake dan outlet tidak banyak. Dengan kata lain tidak banyak kerugian

aliran sehingga dapat menaikkan efisiensi volumetrik dan pengisian. Gas sisa

lebih mudah dibuang ke luar silinder sehingga campuran udara bahan bakar

lebih banyak masuk silinder. Konstruksi katupnya lebih sederhana. Ruang

bakarnya membentuk limas.

[3] Model bath tub [gambar 2.55a]

Dengan katup model ini bentuk ruang bakar menjadi terpusat, pada kondisi

piston melakukan dorongan pada langkah kompresi, campuran bahan bakar

udara akan menuju ruangan ini sehingga proses pembakaran lebih cepat. Ruang

bakar membentukan balok.

Page 71: Konversi Energi

64

Gambar 2.55 Model ruang bakar

5.5 Piston atau Torak

Torak adalah komponen mesin yang paling pertama menerima energi dari

pembakaran. Energi tersebut kemudian diteruskan denagn batang torak.

Sambungan antara torak dengan batang torak digunakan pen torak. Posisi

sambungan antara torak dengan batang torak dengan pen torak diusahakan tidak

pada satu garis dengan posisi poros engkol (offset engine), kalau kondisi ini

tidak dicermati mengakibatkan gaya dorong dari pergerakan torak akan besar di

dinding dan dapat meyebabkan dinding aus sebagian.

Untuk mencegah kebocoran ruang silinder yang bertekanan tinggi, pada torak

dipasang ring torak. Ring torak berfungsi sebagai perapat dan tempat saluran

pelumas, untuk melumasi dinding silinder.

Piston bekerja pada beban tinggi yaitu temperatur dan tekanan tinggi, dengan

alasan tersebut piston akan mengalami pemuaian sehingga dapat bersinggungan

dengan dinding silinder. Kondisi tersebut sangat merugikan karena dinding

silinder akan cepat aus. Untuk mengatasi kondisi tersebu,t antara dinding dengan

piston diberi jarak atau celah sehingga pada waktu piston mengalami pemuaian

masih ada tempat, kontak langsung dengan dinding silinder dapt dihindari.

Konstruksi torak

Bagian paling atas adalah kepala torak, biasanya permukaannya datar, tetapi ada

pula yang berbentuk cekungan atau cembungan. Bentuk-bentuk permukaan dari

Page 72: Konversi Energi

65

kepala torak difungsikan untuk membantu turbulensi pada waktu kompresi,

sehingga campuran udara bahan bakar lebih homogen.

Pada bagian atas torak juga terdapat celah-celah untuk pemasangan ring torak

dan bentuk bos di bagian tengah torak yang fungsinya untuk dudukan pen torak.

Dengan alasan torak bekerja pada daerah bertemperatur, bertekanan, dan

kecepatan tinggi, material torak harus mempunyai kekuatan yang tinggi. Besi

cor banyak digunakan tetapi berat, untuk menggantinya digunakan paduan

aluminium yang lebih ringan dan konduktivitas panasnya lebih baik.

Kelemahan dari paduan aluminium adalah mudah memuai, sehingga pada suhu

tinggi ukuran piston mejadi lebih besar, hal ini sangat tidak menguntungkan.

Untuk mengatasinya bentuk piston dibuat tidak sama, pada bagian bawah dibuat

lebih kecil, sehingga pada waktu memuai bentuknya sama.

Gambar 2.56 Konstruksi torak

Model torak

Berbagai model torak dikembangkan untuk menaikkan unjuk kerja dari torak.

Material torak yang digunakan harus ringan, mampu beroperasi pada beban

tinggi dan konduktivitasnya harus baik. Adapun contoh model-model torak yang

banyak digunakan sebagai berikut.

[1] Model split piston [gambar 2.480a]

Torak model ini dilengkapi dengan parit-parit bentuk T dan U untuk

menampung ekspansi panas dan membentuk celah sisi.

Page 73: Konversi Energi

66

[2] Torak model selop[gambar 2.480b]

Torak model ini dipotong bagian bawahnya untuk mengurangi berat dan

mengurangi gesekan.

[3]Torak model autotermis[gambar 2.480c]

Pada bagian atas dibagian dalam piston terdapat plat baja yang mempunyai

pemuaian yang rendah, hal ini untuk mengatasi perubahan bentuk yang

disebakan panas.

[4]Torak lonjong (oval piston) [gambar 2.480d]

Diameter torak pada bagian bos pena torak dibuat lebih kecil sehingga piston

kelihatan berbentuk oval. Dengan bentuk oval, apabila torak kena panas

diameternya akan sama pada setiap sisinya.

Gambar 2.57 Model torak atau piston

Ring torak

Page 74: Konversi Energi

67

Pada penjelasan terdahulu telah disinggung bahwa antara piston dan dinding

piston terdapat celah (clearence) yang berfungsi sebagai ruang muai piston.

Celah ini dapat menimbulkan masalah yaitu kebocoran gas pada waktu langkah

kompresi dan tenaga. Untuk mengatasi hal tersebut pada piston diberi seal atau

perapat sehingga kebocoran dapat dihindari. Perapat tersebut berbentuk ring.

Adapun fungsi ring piston secara umum adalah sebagai berikut.

[1] Menjaga agar gas tidak ke luar silinder selama langkah kompresi atau

langkah tenaga. Pada langkah ini perbedaan antara tekanan dalam silinder

dengan luar silinder sangat besar sehingga ada kemungkinan gas dapat ke luar

melalui celah-celah antara piston dengan silinder.

[2] Sebagai komponen pelumasan yaitu ring piston akan mengikis minyak

pelumas di dinding silinder dan sekaligus mencegah minyak pelumas masuk ke

ruang bakar.

[3] Karena ring piston bersingungan langsung dengan dinding silinder, maka

ring piston dapat sebagai media untuk menyalurkan panas dari piston kedinding

silinder.

Material ring piston terbuat dari besi cor khusus, berbentuk lingkaran

berdiameter lebih besar dari diameter piston. Untuk memudahkan pemasangan

pada piston, ring piston dipotong. Ada beberapa model potongan yaitu ; [1] butt

joint, [2] angle joint, dan [3] gap joint [gambar 2.481]. Celah sambungan (gap

joint) harus disesaikan dengan sepesifikasi mesin. Bila celah sambungan terlalu

besar akan mengakibatkan kebocoran gas, bila terlalu kecil ujung-ujungnya akan

bersentuhan, dan apabila memuai akan merusak ring piston.

Gambar 2.58 Ring piston

Page 75: Konversi Energi

68

Model ring pegas ada dua yaitu:

[1] Ring kompresi, fungsi ring ini adalah mencegah gas kelua pada waktu

langkah kompreasi dan ekspansi. Ring kompresi dipasang berurutan pada posisi

atas piston. Potongan ring diposisikan antara satu dengan yang lainnya pada

posisi 1200, atau 1800, dengan maksud untuk untuk mencegah kebocoran.

[2] Ring oli, fungsi ring ini adalah untuk mengikis kelebihan oli pada dinding

silinder dan untuk mecegah agar minyak pelumas tidak memasuki ruang bakar.

5.6 Batang torak

Batang torak atau batang penerus (conecting rod) adalah komponen yang

meneruskan tenaga dari torak ke poros engkol. Dengan batang torak ini gerakan

torak yaitu translasi bolak-balik diubah menjadi gerakan rotasi pada poros

engkol. Bentuk dari batang torak dapat dilihat pada Gambar 2.482. Bagian ujung

yang disambung dengan pen pada torak berbentuk lebih kecil dan ujung satunya

yang terhubung langsung dengan poros engkol berbentuk lebih besar. Pada

bagian ujung yang besar dibuat dalam bentuk split dan dipasang pada pin engkol

dengan baut-baut yang dibuat dari logam khusus.

Sama dengan torak, batang torak juga bekerja pada beban tinggi secara

berulang-ulang. Temperatur pada batang torak juga masih tinggi karena

bersinggungan langsung dengan torak. Dengan alasan tersebut batang torak

dibuat dengan baja khusus.

Pada ujung kecil sampai ujung besar dari batang torak diberi lubang pelumas

untuk melumasi bagian batang torak mulai dari pen torak sampai pada pin

engkol. Pada ujung kecil sistem pelumasanya dengan percikan. Pada bagian

ujung besar dipasang bantalan untuk mencegah keausan.

Page 76: Konversi Energi

69

Gambar 2.59 Konstruksi dari batang penghubung

5.7 Poros engkol

Fungsinya sama dengan batang torak yaitu meneruskan tenaga dari torak.

Bedanya batang torak melakukan gerakan gabungan translasi dan rotasi, poros

engkol hanya bergerak rotasi saja. Adapun konstruksi dari poros engkol dapat

dilihat pada gambar. Salah satu bagian dari poros engkol adalah crank journal

yang ditumpu pada crankcase dengan bantalan dan merupakan pusat tumpuan

dan putaran. Crank pin adalah komponen dari poros engkol dimana batang torak

dipasang. Antara crank journal denga crank pin dihubungkan dengan crank arm.

Gambar 2.60 Poros engkol

Page 77: Konversi Energi

70

Pada bagian ujung dari poros engkol dibuat alur untuk pemasangan roda gigi

timing untuk menggerakan sumbu nok (chamsaft) dan puli untuk menggerakkan

pompa dan generator. Bagian ujung satunya dipasang roda gaya atau roda

penerus. Pada mesin segaris jumlah crank pin sama dengan jumlah silinder dan

untuk bentuk V jumlahnya adalah setengahnya. Jumlah crank journal bertambah

banyak pada mesin putaran tinggi atau beban tinggi.

Putaran poros engkol bervariasi dari putaran rendah sampai putaran tinggi.

Beban yang ditanggung oleh poros engkol tidak hanya dari putaran, tetapi juga

dari dorong aksial batang penerus, akibatnya poros engkol akan bergetar dan

cenderung tidak stabil, bantalan akan cepat aus. Pada mesin multi silinder

kondisi ini diatasi dengan mengatur posisi crank pin tidak pada satu garis

dengan crank juornal, tetapi membentuk sudut tertentu. Disamping itu, pada

poros engkol juga dipasang massa penyeimbang (balance weight) untuk

meyerap energi yang berlebih.

Untuk megurangi getaran dan pembebanan yang tidak merata, urutan

pembakaran juga harus diatur sehingga mempunyai waktu yang sama setiap dua

putaran poros engkol. Dengan pengaturan tersebut, langkah tenaga menjadi

teratur dan dorongan batang torak ke poros engkol bergantian dengan teratur.

5.8 Roda gaya

Pada mesin 4 tak, dalam satu siklus kerja dengan dua putaran poros engkol

hanya ada satu langkah tenaga. Ini berarti poros engkol mendapatkan tenaga

putar dari langkah tenaga saja, untuk langkah lainnya memerlukan tenaga. Agar

dapat bekerja untuk langkah lainnya, poros engkol harus dapat menyimpan

energi dari langkah tenaga. Bagian komponen mesin yang berfungsi menyimpan

energi atau tenaga putar ini disebut roda gaya atau roda penerus (fly wheel).

Roda penerus dipasang pada ujung poros engkol dan dilengkapi dengan ring

gear yang akan dihubungkan dengan gigi pinion starter. Roda penerus berbentuk

piringan dan terbuat dari material besi cor.

5.9 Bantalan

Page 78: Konversi Energi

71

Untuk mecegah keausan karena gesekan-gesekan pada setiap tumpuan-tumpuan

dipasang bantalan (bearing). Pada poros engkol bantalan dipasang pada crank

journal dan crank pin. Untuk membantu mengurangi gesekan dan sekaligus

mendinginkan bantalan-bantalan, minyak pelumas dialirkan melalui celah-celah

minyak pelumas.

Bantalan-bantalan yang digunakan pada jurnal poros engkol disebut dengan

bearing utama dan yang digunakan pada bagian ujung besar batang torak disebut

bantalan batang torak. Bentuk dari bantalan adalah split yang dipakai pada jurnal

poros engkol dan bentuk split tunggal pada bantalan pena torak yaitu bushing.

Gambar 2.61 Bantalan

5.10 Mekanik Katup

Katup merupakan komponen mesin yang berfungsi sebagai laluan udara dan

bahan bakar masuk silinder (katup masuk) atau sebagai laluan gas sisa

pembakaran ke luar silinder (katup ke luar]. Untuk mengatur membuka dan

menutupnya katup diperlukan mekanisme katup. Ada beberapa mekanisme

katup yaitu:

[1] Susunan katup sisi (Side valve)

Susunan katup sisi konstruksinya sangat sederhana, mekanik katupnya tidak

rumit dan dipasang di sisi silinder. Komponennya terdiri dari katup sendiri,

pegas katup, pengangkat katup (valve lifter), nok dan poros nok. Pergerakan

katup membuka dan menutup dilakukan oleh nok pada poros nok yang diterukan

oleh pengangkat katup. Poros nok ditempatkan paralel disamping poros engkol.

Karena letaknya di bagian sisi silinder dan tidak dikepala silinder, menjadikan

konstruksi silinder menjadi sangat sederhana.

[2] Susunan katup kepala (Overhed valve)

Mekanik katup terdiri dari katup, push rod, valve lifter,rocker arm. Posisi katup

di kepala silinder baik katup hisap atau katup buang. Cara kerja mekanik katup

Page 79: Konversi Energi

72

adalah sebagai berikut. Apabila pengangkat katup didorong nok, push rod

terdorong keatas, push rod akan mendorong salah satu ujung dari rocker arm

dan ujung rocker arm yang lainnya akan menekan katup ke bawah dan katup

mulai terbuka. Nok kemudian berputar, dorongan push rod menjadi hilang,

rocker arm menjadi bebas, demikian juga katup menutup kembali karena gaya

pegas. Seperti yang telah disebutkan bahwa katup terletak pada kepala silinder,

posisi ini membentuk ruang bakar yang lebih longgar dengan katup yang dapat

diperluas untuk memaksimalkan pengisian.

[3] Susunan katup kepala dengan poros nok di atas kepala silinder

Mekanik katup terdiri dari komponen yang sama dengan jenis yang kedua,

perbedaannya terletak pada poros noknya terletak pada kepala silinder (over

head camshaft). Pengembangan mekanik katup jenis ini adalah untuk menaikkan

performasi katup dalam merespon kondisi mesin putaran tinggi. Pada mekanik

katup jenis kedua dimana poros nok terletak pada sisi silinder bagian bawah,

dalam merespon untuk pembukaan jalannya terlalu panjang, melewati beberapa

komponen yaitu lifter, push rod kemudian rocker arm baru menekan katup.

Apabila cara kerja disederhanakan yaitu menghilangkan push rod dan lifter,

dengan memasang poros nok di atas kepala silinder, kemudian dilengkapi

dengan penumbuk katup (valve rocker arm), katup akan lebih cepat merespon

pergerakan nok untuk pembukaan dan penutupan.

Page 80: Konversi Energi

73

c. Rangkuman

1. Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin kalor yang proses

pembakarannya terjadi dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas

pembakaran yang terjadi sekaligus sebagai fluida kerjanya

2. Keuntungan dari mesin pembakaran dalam dibandingkan dengan mesin

pembakaran luar adalah kontruksinya lebih sederhana, tidak memerlukan

fluida kerja yang banyak dan efesiensi totalnya lebih tinggi

3. Siklus udara pada motor bakar yang akan dibahas adalah

a. Siklus udara pada volume konstan ( Siklus Otto)

b. Siklus udara pada tekanan kostan ( Siklus Disel)

c. Siklus udara tekanan terbatas.( Siklus gabungan )

4. Siklus tekanan kostan pemasukan kalornya pada tekanan kostan berbeda

dengan siklus volume konstan yang proses pemasukan kalornya pada kondisi

volume konstan. Siklus tekanan konstan sering disebut dengan siklus diesel

5. Siklus gabungan, proses pemasukan kalornya menggunakan dua cara yaitu

pemasukan kalor volume konstan dan tekanan konstan.

6. Kerja yang berguna adalah pengurangan dari jumlah energi yang masuk

dengan energi yang terbuang. Perbandingan antara kerja

7. berguna dengan jumlah energi yang masuk ke mesin adalah definisi dari

efisiensi

8. Efisiensi siklus otto akan naik apabila kita menaikan rasio kompresinya.

Kenaikan rasio kompresi mesin otto dibatasi oleh peritiwa knoking, yaitu suara

berisik karena terjadi ledakan dari pembakaran spontan dari mesin otto. Karena

knoking daya menjadi turun sehingga efisiensi pun menurun. atau diesel

semakin naik.

9. Kenaikan rasio kompresi berarti tekanan kompresi juga tinggi sehingga material

yang dibutuhkan harus lebih kuat. Pada rasio kompresi yang sama efisiensi

Page 81: Konversi Energi

74

mesin otto lebih tinggi dibandingkan dengan mesin diesel, akan tetapi mesin

otto tidak bekerja pada rasio kompresi disel karena terlalu tinggi

d. Tugas

Soal

1. Jelaskan perbedaan proses kerja dari motor bakar 2 Tak dengan 4 Tak . . .?

2. Jelaskan siklus termodinamika motor bakar . . . ?

3. Jelaskan komponen-komponen utama mesin motor bakar . . . ?

4. Jelaskan tentang efisiensi motor bakar dan bagaimana perumusannya !

5. Sebutkan faktor faktor yang bisa menambah dan mengurangi efisiensi motor

bakar ?

6. Apa yang dimaksud dengan knoking pada mesin otto

7. Menurut anda lebih efisien mana antara mesin otto dan mesin disel

Page 82: Konversi Energi

75

3. Kegiatan Pembelajaran 3 : Prestasi Mesin

a. Tujuan Pembelajaran

Setelah mempelajari materi pada bahan ajar ini , siswa memiliki kompetensi :

1) Menjelaskan properties/ komponen yang berhubungan dengan pretasi

mesin/ engine dengan benar

2) Menjelaskan volume langkah dan volume ruang bakar dengan benar

3) Menjelaskan Torsi dan Daya Mesin dengan benar

4) Menghitung Daya Mesin dengan benar

5) Menjelaskan macam-macam efisiensi mesin dengan benar

b. Uraian Materi

Motor bakar adalah suatu mesin yang mengkonversi energi dari energi kimia yang

terkandung pada bahan bakar menjadi energi mekanik pada poros motor bakar.

Jadi daya yang berguna yang langsung dimanfaatkan sebagai penggerak adalah

daya pada poros. Proses perubahan energi dari mulai proses pembakaran sampai

menghasilkan daya pada poros motor bakar melewati beberapa tahapan dan tidak

mungkin perubahan energinya 100%. Selalu ada kerugian yang dihasilkan selama

proses perubahan, hal ini sesuai dengan hukum termodinamika kedua yaitu "tidak

mungkin membuat sebuah mesin yang mengubah semua panas atau energi yang

masuk memjadi kerja". Jadi selalu ada "keterbatasan" dan "keefektifitasan" dalam

proses perubahan, ukuran inilah yang dinamakan efisiensi.

Kemampuan mesin motor bakar untuk mengubah energi yang masuk yaitu bahan

bakar sehingga menghasilkan daya berguna disebut kemampuan mesin atau

prestasi mesin. Gambar 2.62 menggambarkan proses perubahan energi bahan

bakar.

Page 83: Konversi Energi

76

Gambar 2.62 Keseimbangan energi pada motor bakar

Berdasarkan gambar 2.63 terlihat jelas bahwa tidak mungkin mengubah semua

energi bahan bakar menjadi daya berguna. Daya berguna hanya sebesar 25%,

yang artinya mesin hanya mampu menghasilkan 25% daya berguna yang dapat

dipakai sebagai penggerak dari 100% bahan bakar. Energi yang lainnya dipakai

untuk menggerakkan asesoris atau peralatan bantu, kerugian gesekan dan

sebagian terbuang ke lingkungan sebagai panas gas buang dan melalui air

pendingin. Jika digambar dengan hukum termodinamika dua adalah sebagai

berikut :

Page 84: Konversi Energi

77

Gambar 2.63 Diagram proses konversi energi pada motor bakar

1. Propertis Geometri Silinder

Bahan bakar dibakar di dalam silinder untuk menghasilkan energi. Jadi

silinder adalah komponen utama sebagai tempat proses pembakaran.

Page 85: Konversi Energi

78

Gambar 2.64 Propertis geometri silinder motor bakar

Gambar 2.65 Geometri silinder

Page 86: Konversi Energi

79

Gambar 2.64 dan 2.65 di atas adalah propertis dari geometri silinder motor bakar.

Adapun definisi dari masing-masing propertis atau komponen adalah:

[1] Silinder, adalah bagian yang memindahkan panas ke tenaga mekanik

dengan menggunakan piston atau torak yang bergerak bolak balik di dalam

silinder. Gerakan piston akan bersinggungan dengan dinding silinder.

[2] Kepala silinder, terdiri dari ruang bakar (Vc), lubang-lubang untuk busi

atau nosel injeksi dan makanik katup (hisap dan buang)

[3] Diameter silinder (d ), adalah ukuran melebar dari silinder.

[4] Panjang langkah (L), adalah jarak terjauh piston bergerak di dalam

silinder, atau jarak gerakan piston dari Titik Mati Bawah (TMB) ke Titik

Mati Atas ( TMA)

[5] Poros engkol dan batang torak, adalah komponen pengubah gerak bolak

balik piston menjadi gerak putar atau rotasi

[6] Sudut engkol q adalah sudut perputaran poros engkol pada langkah

tertentu, satu putaran penuh adalah 3600.

Gambar 2.66 Langkah mesin

Page 87: Konversi Energi

80

Gambar 2.67 Volume langkah dan volume ruang bakar

2. Volume langkah dan volume ruang bakar

Volume langkah adalah volume ketika torak bergerak dari TMA ke TMB,

disebut juga volume displacement dari mesin. Volume mesin satu silinder

dihitung dengan rumus:

Volume langkah dengan jumlah silinder N adalah:

Volume ruang bakar atau clearance volume adalah Vc

3. Perbandingan kompresi (compression ratio)

Perbandingan kompresi (r) adalah menunjukkan seberapa banyak campuran

bahan bakar dan udara yang masuk silinder pada langkah hisap, dan yang

dimampatkan pada langkah kompresi. Perbandingannya adalah antara volume

langkah dan ruang bakar (Vd +Vc) yaitu pada posisi piston di TMB, dengan

volume ruang bakar (Vc) yaitu pada posisi piston di TMA, dapat dirumuskan

dengan persamaan:

Page 88: Konversi Energi

81

Dari rumus efisiensi termal dapat dilihat bahwa dengan menaikkan rasio

kompresi akan menaikkan efisiensi, dengan kata lain tekanan pembakaran

bertambah dan mesin akan menghasilkan daya berguna yang lebih besar. Akan

tetapi, kenaikan tekanan pembakaran di dalam silinder dibarengi dengan

kenaikan temperatur pembakaran dan ini menyebabkan pembakaran awal,

peristiwa tersebut dengan knocking dan meyebabkan daya mesin turun.

Pada mesin diesel rasio kompresi lebih tinggi dibanding dengan mesin bensin.

Rasio kompresi semakin tinggi pada mesin diesel dibarengi dengan kenaikan

efisiensi. Kenaikan rasio kompresi akan menaikkan tekanan pembakaran,

kondisi ini akan memerlukan material yang kuat sehingga dapat menahan

tekanan dengan temperatur tinggi. Material yang mempuyai kualitas tinggi harus

dibuat dengan teknologi tinggi dan harganya mahal, sehingga secara keseluruhan

menjadi tidak efektif.

4. Kecepatan piston rata-rata

Piston atau torak bergerak bolak balik (reciprocating) di dalam silinder dari

TMA ke TMB dan dari TMB ke TMA. Kecepatan pergerakan piston dapat

dihitung dengan mengambil harga rata ratanya yaitu:

5. Torsi dan Daya Mesin

Torsi adalah ukuran kemampuan mesin untuk melakukan kerja, jadi torsi adalah

suatu energi. Besaran torsi adalah besaran turunan yang biasa digunakan untuk

menghitung energi yang dihasilkan dari benda yang berputar pada porosnya.

Adapun perumusan dari torsi adalah sebagai berikut. Apabila suatu benda

Page 89: Konversi Energi

82

berputar dan mempunyai besar gaya sentrifugal sebesar F, benda berputar pada

porosnya dengan jarijari sebesar b, maka torsinya adalah:

Karena adanya torsi inilah yang menyebabkan benda berputar terhadap

porosnya, dan benda akan berhenti apabila ada usaha melawan torsi dengan

besar sama dengan arah yang berlawanan.

Gambar 2.68 Skema pengukuran torsi

Pada motor bakar untuk mengetahui daya poros harus diketahui dulu torsinya.

Pengukuran torsi pada poros motor bakar menggunakan alat yang dinamakan

Dinamometer. Prinsip kerja dari alat ini adalah dengan memberi beban yang

berlawanan terhadap arah putaran sampai putaran mendekati o rpm. Beban ini

nilainya sama dengan torsi poros. Gambar 2.68 menunjukkan prinsip dasar dari

dinamometer.

Gambar 2.69 Skema dinamometer

Page 90: Konversi Energi

83

Dari gambar di atas dapat dilihat pengukuran torsi pada poros (rotor) dengan

prisip pengereman dengan stator yang dikenai beban sebesar w. Mesin

dinyalakan kemudian pada poros disambungkan dengan dinamometer. Untuk

megukur torsi mesin pada poros mesin diberi rem yang disambungkan dengan w

pengereman atau pembebanan. Pembebanan diteruskan sampai poros mesin

hampir berhenti berputar. Beban maksimum yang terbaca adalah gaya

pengereman yang besarnya sama dengan gaya putar poros mesin F. Dari definisi

disebutkan bahwa perkalian antara gaya dengan jaraknnya adalah sebuah torsi,

dengan difinisi tersebut Torsi pada poros dapat diketahui dengan rumus:

Pada mesin sebenarnya, pembebanan terjadi pada komponenkomponen mesin

sendiri yaitu asesoris mesin (pompa air, pompa pelumas, kipas radiator),

generator listrik (pengisian aki, listrik penerangan, penyalan busi), gesekan

mesin dan komponen lainnya.

Dari perhitungan torsi di atas dapat diketahui jumlah energi yang dihasikan

mesin pada poros. Jumlah energi yang dihasikan mesin setiap waktunya disebut

dengan daya mesin. Kalau energi yang diukur pada poros mesin dayanya disebut

daya poros.

6. Perhitungan Daya Mesin

Pada motor bakar, daya dihasilkan dari proses pembakaran di dalam silinder dan

biasanya disebut dengan daya indikator. Daya tersebut dikenakan pada torak

yang bekerja bolak-balik di dalam silinder mesin. Jadi di dalam silinder mesin,

terjadi perubahan energi dari energi kimia bahan bakar dengan proses

pembakaran menjadi energi mekanik pada torak.

Daya indikator merupakan sumber tenaga per satuan waktu operasi mesin untuk

mengatasi semua beban mesin. Mesin selama bekerja mempunyai komponen-

komponen yang saling berkaitan satu dengan lainnya membentuk kesatuan yang

kompak. Komponen-komponen mesin juga merupakan beban yang harus diatasi

daya indikator. Sebagai contoh pompa air untuk sistem pendingin, pompa

Page 91: Konversi Energi

84

pelumas untuk sistem pelumasan, kipas radiator, dan lain lain, komponen ini

biasa disebut asesoris mesin. Asesoris ini dianggap parasit bagi mesin karena

mengambil daya dari daya indikator.

Disamping komponen-komponen mesin yang menjadi beban, kerugian karena

gesekan antar komponen pada mesin juga merupakan parasit bagi mesin, dengan

alasan yang sama dengan asesoris mesin yaitu mengambil daya indikator.

Seperti pada Gambar 2.62 terlihat bahwa daya untuk meggerakkan asesoris dan

untuk mengatasi gesekan sekitar 5% bagian.

Untuk lebih mudah memahami, di bawah ini ditunjukkan perumusan dari masing

masing daya. Satuan daya menggunakan HP(horse power).

7. Daya indikator

Seperti telah diuraikan di atas, daya indikator adalah daya yang dihasilkan di

dalam silinder pada proses pembakaran. Untuk menghitung daya indikator, perlu

ditentukan terlebih dahulu tekanan indikator rata-rata yang dihasilkan dari proses

pembakaran satu siklus kerja.

a. Diagram indikator

Cara memperoleh siklus kerja dari suatu mesin adalah dengan menggunakan

sebuah motor atau mesin uji yang dipasang seperangkat alat untuk mencatat

setiap kondisi kerja mesin pada semua langkah. Dengan mesin uji tersebut dapat

dihasilkan diagram indikator satu siklus kerja. Pada gambar berikut adalah mesin

uji yang digunakan untuk menggambarkan diagram indikator satu siklus kerja

mesin, jenis mekanis dan jenis elektrik. Gambar diagram indikator adalah

sebuah grafik hubungan p dan V, jadi setiap tekanan pada kedudukan tertentu

dari piston dapat diketahui.

Cara kerja mesin uji adalah sebagai berikut.

[A] Mesin uji elektrik. Mesin uji bekerja dengan sinyal digital. Alat pendeteksi

tekanan (pressure transduser) dipasang pada ruang silinder, alat pendeteksi

Page 92: Konversi Energi

85

volume (inductive pick up) dipasang pada piringan yang terpasang pada bagian

bawah silinder terhubung dengan poros engkol. Masing masing alat pendeteksi

memberikan respon dari setiap kondisi yang diukur, kemudian respon tersebut

diubah dalam bentuk sinyal listrik yang akan diperkuat di unit amplifier dan

trigger. Sinyal-sinyal digital di tampilkan pada layar osiloskop dalam bentuk

grafik hubungan sudut poros engkol dan tekanan silinder [Gambar 2.70]

Gambar 2.70 Mesin uji elektrik

[B] Mesin uji mekanis. Mesin uji mekanis terdiri dari dua perangkat [Gambar

2.620]. Perangkat pertama adalah mesin otto dan yang kedua adalah perangkat

mekanisme pencatat. Proses pembakaran pada tekanan dan volume tertentu di

dalam silinder mesin otto. Pada silinder dibuat lubang sebagai tempat saluran

pipa yang akan mendeteksi perubahan tekanan di dalam silinder selama siklus

kerja mesin. Pipa tersebut terhubung dengan silinder pada perangkat kedua yang

terdiri dari piston, batang piston dan tuas pencatat atau indikator scriber. Pada

tuas pencatat ujungnya akan bersinggungan dengan drum kertas. Respon volume

setiap kondisi piston dideteksi dengan menggunakan mekanisme tuas yang

dipasang pada piston, kemudian disambungkan dengan kabel yang dihubungkan

drum kertas. Setiap pergerakan piston akan memutar drum. Jadi pada saat mesin

mulai bekerja tekanan di dalam silinder mulai berubah sehingga tuas pencatat

Page 93: Konversi Energi

86

mulai bergerak, karena kedudukan piston juga berubah menyebabkan tuas pada

piston juga berubah posisinya, seterusnya drum berputar karena ditarik dengan

kabel dari tuas piston.

Gambar 2.71Mesin uji mekanis

Diagram indikator yang dihasilkan mesin uji mekanis menggambarkan kondisi

tekanan pada setiap kedudukan piston di dalam silinder [Gambar 2.621].

Sehingga secara sederhana diagram indikator dapat digambarkan sebagai

berikut.

Page 94: Konversi Energi

87

Gambar 2.72Diagram indikator mesin uji mekanik

Dari diagram indikator di atas terlihat satu siklus kerja dari mesin otto. Siklus ini

menggambarkan kondisi aktual dari mesin di dalam silinder. Tekanan hisap dan

buang terlihat berbeda, proses pembakaran juga tidak pada volume konstan,

pembuangan gas sisa juga tidak pada volume konstan.

Diagram indikator yang dihasilkan mesin uji elektrik menggambarkan kondisi

tekanan pada setiap kedudukan piston di dalam silinder. Sehingga secara

sederhana diagram indikator dapat digambarkan sebagai berikut.

Page 95: Konversi Energi

88

Gambar 2.73Diagram indikator mesin uji elektrik

Diagram di atas merupakan hubungan antara tekanan di dalam silinder dengan

sudut engkol pada mesin. Dengan menggunakan grafik ini dapat dianalisis setiap

langkah kerja mesin, yaitu mulai hisap (intake), kompresi (compression),

pembakaran (combustion), tenaga (expansion), dan buang (exhaust). Tekanan

pembakaran pada piston yaitu pada sumbu tegak menggambarkan kondisi aktual

perubahan tekanan selama mesin bekerja

b. Kerja indikator

Kerja indikator adalah kerja pada piston karena perubahan tekanan dan volume

selama siklus kerja mesin. Adapun kerja indikator persiklusnya dirumuskan

dengan persamaan sebagai berikut:

Gambar 2.74adalah digram p-V dari mesin otto. Daerah A adalah kerja indikator

positif pada langkah kompresi dan tenaga, sedangkan pada daerah B adalah

kerja negatif pemompaan langkah hisap dan buang. Adapun jumlah total dari

kedua daerah kerja terebut adalah kerja indikator total, dirumuskan dengan

persamaan:

Page 96: Konversi Energi

89

Gambar 2.74Diagram indikator mesin otto

Gambar 2.75Kerja indikator total

Kerja indikator total [Gambar 2.624] adalah kerja yang akan diteruskan torak ke

poros engkol. Kerja indikator akan selalu berubah menyesuaikan dengan jumlah

campuran bahan bakar udara yang dihisap oleh mesin. Pada kondisi putaran

Page 97: Konversi Energi

90

rendah kerja indikator kecil, kerja indikator paling besar apabila mesin mencapai

efisiensi maksimum.

Harga dari Wpemompaan yaitu kerja yang dibutuhkan pada langkah hisap dan

buang akan selalu berharga negatif pada mesin standar, dimana udara masuk ke

silinder pada langkah hisap, karena di ruang silinder tekanannya lebih rendah.

Jadi diusahakan Wpemompaan serendah mungkin untuk menghasilkan Wnet indikator

yang besar.

Pada mesin mesin yang dipasang supercharger [Gambar 2.625] atau

turbocharger [Gambar 2.626] Wpemompaan berharga positif karena udara dipaksa

masuk pompa sehingga garis langkah hisap di atas langkah buang. Jadi kerja

indikator total adalah Wnet indikator = Windikator + Wpemompaan. Jadi dapat dikatakan

mesin yang dipasang supercharger atau turbocharhger mempunyai Wnet indikator

yang lebih besar dibandingkan dengan mesin yang standar (Wnet indikator superchager

> Wnet indikator) . Diagram indikator untuk mesin yang dipasang superchager atau

turbocharger dapat dilihat pada Gambar 2.628

Page 98: Konversi Energi

91

Gambar 2.76Supercharger pada motor bakar

Gambar 2.77Prinsip turbocharger pada motor bakar

Page 99: Konversi Energi

92

Gambar 2.78Instalasi turbocharger pada motor-bakar

Page 100: Konversi Energi

93

Gambar 2.79Perubahan diagram indikator dengan supercharging

Page 101: Konversi Energi

94

8. Tekanan indikator rata-rata

Tekanan rata-rata atau Mean Effective Pressure (MEP) adalah suatu konsep

untuk mencari harga tekanan tertentu konstan yang apabila mendorong piston

sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja persiklus Wnet 2 yang sama

dengan siklus yang dianalisis Wnet 1. Pada gambar adalah grafik kerja indikator

netto denga MEP nya.

Tekanan rata-rata dirumuskan sebagai berikut:

Luasan Wnet adalah segi empat dengan lebar tekanan rata-rata (MEP) dan

panjang Vd (VTMA - VTMB), maka untuk mencari luasannya:

Wnet = panjang x lebar = Vd X MEP = (VTMA - VTMB) X MEP

Gambar 2.80Diagram tekanan rata-rata

Page 102: Konversi Energi

95

Jadi Prata-rata adalah suatu garis tekanan konstan, dimana pada posisi tersebut luas

diagram p -v yang dibatasi oleh A-B-C-D sama dengan luasan bidang 1-2-3-4.

Wnet 1 adalah identik dengan Wnet 2

Gambar 2.81Diagram indikator rata-rata

Gambar 2.81di atas adalah diagram indikator hubungan tekanan dan volume.

Dari diagram tersebut dapat diketahui kerja indikator netto Wnet,i dari siklus.

Untuk mengetahui kerja indikator netto, dihitung terlebih dahulu tekanan efektif

indiaktor rata-rata atau Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) dari siklus,

adapun caranya adalah sebagi berikut. Dari diagram indikator yang dihasilkan

dari mesin uji, baca skala tekanan dan skala langkah toraknya.

Page 103: Konversi Energi

96

Skala langkah torak adalah 1 mm = X m

Skala volume langkah adalah 1 mm = AX m3

Skala tekanan adalah 1 mm = Y N/m2

Skala kerja adalah 1 mm2 = Y.AX N.m

Apabila diketahu luasan kerja indikator adalah C mm2, maka kerja indikator

persiklus = C.Y.AX N.m, sehingga tekanan indikatornya dapat dihitung dengan

rumus:

dengan L = panjang langkah torak cm

Tekanan indikator rata-rata yang diperoleh dari perhitungan di atas dapat

digunakan untuk menghitung daya indikator. Dari rumus a dapat diperoleh

perhitungan sebagai berikut:

Daya adalah kerja perwaktunya N = W/t (1/t adalah rotasi per waktu atau n ),

maka daya indikator dapat dihitung dengan persamaan:

dengan n = putaran mesin (rpm)

Untuk mesin multisilinder untuk 4 langkah atau 2 langkah, rumus umum untuk

menghitung daya indikator adalah:

Page 104: Konversi Energi

97

9. Daya Poros atau Daya Efektif

Daya poros adalah daya efektif pada poros yang akan digunakan untuk

mengatasi beban kendaraan. Daya poros diperoleh dari pengukuran torsi pada

poros yang dikalikan dengan kecepatan sudut putarnya atau dapat dituliskan

dengan persamaan sebagai berikut:

Dari perumusan di atas, untuk menghitung daya poros (brake power) Ne harus

diketahui terlebih dahulu torsi T dan putaran n mesinnya. Torsi diukur langsung

dengan alat dinamometer dan putaran mesin diukur dengan tachometer.

10. Kerugian daya gesek

Daya gesek adalah energi persatuan waktu dari mesin yang harus diberikan

untuk mengatasi tahanan dari komponen-komponen mesin yang bersinggungan.

Besarnya daya gesek dapat dihitung dengan mengurangi daya indikator dengan

daya poros, perhitungan ini dengan asumsi daya asesoris diabaikan.

Perumusannya adalah:

apabila diasumsikan Na = 0 maka,

Perhitungan daya gesek dengan cara ini cukup bagus untuk skala laboratorium.

11. Efisiensi Mesin

Efisiensi mesin menggambarkan tingkat efektifitas mesin bekerja. Secara

alamiah setiap proses memerlukan energi, menghasilkan kerja untuk melakukan

proses, kemudian ada energi yang harus dibuang. Seperti manusia yang harus

makan untuk melakukan aktivitas kerja, selanjutnya secara alamiah harus ada

Page 105: Konversi Energi

98

yang dibuang. Apabila proses ini tidak berjalan semestinya, manusia dinyatakan

dalam keadaan sakit dan tidak dapat melakukan kerja. Dalam kondisi ini

seandainya manusia adalah mesin maka manusia dalam keadaan rusak.

Konsep efisiensi menjelaskan bahwa perbandingan antar energi berguna dengan

energi yang masuk secara alamiah tidak pernah mencapai 100%. Pada motor

bakar ada beberapa definisi dari efisiensi yang menggambarkan kondisi

efektivitas mesin bekerja, yaitu:

1. Efisiensi termal

2. Efisiensi termal indikator

3. Efisiensi termal efektif

4. Efisiensi mekanik

5. Efisiensi volumetrik

11.1 Efisiensi termal

Efisiensi termal adalah konsep dasar dari efisiensi siklus ideal yang didefinisikan

perbandingan antara energi yang berguna dengan energi yang masuk. Energi

berguna adalah pengurangan antara energi masuk dengan energi terbuang. Jadi

efisiensi termal dirumuskan dengan persamaan :

11.2 Efisiensi termal indikator

Efisiensi termal indikator adalah efisiesi termal dari siklus aktual diagram

indikator. Energi berguna dari diagram indikator adalah kerja indikator dan energi

masuknya adalah energi dari proses pembakaran perkilogramnya. Perumusannya

adalah sebgai berikut:

Karena efisiensi termal indikator adalah pada siklus aktual maka fluidanya adalah

bahan bakar dengan udara, sehingga perhitungan energi adalah sebagai berikut:

Page 106: Konversi Energi

99

11.3 Efisiensi termal efektif

Efisiensi termal efektif adalah perbandingan daya poros atau daya efektif dengan

laju kalor masuknya. Perumusannya adalah sebagai berikut:

11.4 Efisiensi mekanik

Semua beban mesin diatasi dengan sumber energi dari proses pembakaran yang

menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik yang terukur pada diagram

indikator adalah kerja indikator. Kerja indikator persatuan waktu inilah yang

akan ditransfer mejadi kerja poros persatuan waktu. Adapun besarnya nilai

efektivitas dari transfer daya indikator menjadi daya poros adalah efisiensi

mekanis. Jadi efisiensi mekanis adalah perbandingan antara daya poros dengan

daya indikator dan dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut:

Page 107: Konversi Energi

100

Apabila

apabila dua persamaan tersebut disubstitusikan pada

menjadi , jadi jelas bahwa daya poros yang dihasilkan dari daya

indikator harus dikalikan dengan efisiensi mekaniknya.

11.5 Efisiensi volumetrik

Udara yang dihisap masuk silinder selalu banyak mengalami hambatan aliran

sehingga aliran udara banyak kehilangan energi, disamping itu udara hisap juga

menyerap panas dari saluran hisap terutama pada ujung saluran hisap yang ada

katup masuknya. Karena menyerap panas temperatur udara menjadi naik dan

menyebabkan massa jenis turun tetapi menaikkan nilai viskositasnya. Dengan

kondisi tersebut udara lebih sulit mengalir dengan massa per satuan volumenya

juga berkurang. Untuk mendefinisikan jumlah udara yang masuk ke ruang

silinder dirumuskan ukuran keefektifan aliran udaran masuk yaitu efisiensi

volumetri. Perumusannya adalah sebagai berikut:

Hubungan efisiensi volumetrik dengan tekanan rata-rata efektif adalah:

Page 108: Konversi Energi

101

dari perumusan di atas terlihat bahwa tekanan efektif rata-rata bergantung dari

nilai dari nv.

c. Rangkuman

1. Proses perubahan energi dari mulai proses pembakaran sampai menghasilkan

daya pada poros motor bakar melewati beberapa tahapan dan tidak mungkin

perubahan energinya 100%. Selalu ada kerugian yang dihasikan dari selama

proses perubahan, hal ini sesuai dengan hukum termodinamika kedua yaitu

"tidak mungkin membuat sebuah mesin yang mengubah semua panas atau

energi yang masuk memjadi kerja".

2. Apabila suatu benda berputar dan mempunyai besar gaya sentrifugal sebesar F,

benda berpuar pada porosnya dengan jari jari sebar b, dengan data tersebut

torsinya adalah

3. Daya indikator adalah merupakan sumber tenaga persatuan waktu operasi mesin

untuk mengatasi semua beban mesin. Untuk lebih mudah pemahaman di bawah

ini dalah perumusan dari masing masing daya. Satuan daya menggunakan HP(

hourse power )

4. Daya poros diperoleh dari pengukuran torsi pada poros yang dikalikan dengan

kecepatan sudut putarnya atau dapat dituliskan dengan persamaan sebagai

berikut ;

5. Daya gesek adalah merupakan energi persatuan waktu dari mesin yang harus

diberikan untuk mengatasi tahanan dari komponen-komponen mesin yang

bersinggungan

6. Efisiensi termal dirumuskan dengan persamaan :

7. Efisiensi termal indikator adalah efisiesi termal dari siklus aktual Diagram

Page 109: Konversi Energi

102

8. Efisiensi termal efektif adalah perbandingan daya poros atau daya efektif dengan

laju kalor masuknya

9. Jadi efisiensi mekanis adalah perbandingan antara daya poros dengan daya

indikator dan dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut.

10. Untuk mendefinisikan jumlah udara yang masuk ke ruang silinder dirumuskan

ukuran keefektifan aliaran udaran masuk yaitu efisiensi volumteri.

11. Laju pemakaian bahan bakar spesifik atau spesific fuel consumtion (SFC) adalah

jumlah bahan bakar (kg) per waktunya.

Page 110: Konversi Energi

103

d. Tugas

Soal

1. Jelaskan properties/ komponen yang berhubungan dengan pretasi mesin/

engine . . . ?

2. Jelaskan apa yang dimaksud dengan volume langkah dan volume ruang

bakar . . . .?

3. Jelaskan apa yang dimaksud dengan Torsi dan Daya Mesin pada motor

bakar . . . ?

4. Jelaskan macam-macam efisiensi mesin pada motor bakar . . .?

5. Hitunglah !

1. Untuk menaikkan kemampuan mesin kendaraan bermotor, seorang ahli

mekanik kendaran bermotor melakukan modifikasi mesin sehingga

diharapkan unjuk kerja mesin naik terutama dayanya. Ahli mekanik

tersebut membawa sepeda motornya ke laboratorium uji. Dari pengujian

diperoleh data-data sebagai berikut. Tekanan indikator rata-rata 8

kg/cm2, pada putaran 2400 rpm besar torsinya 40 kg.m. Konsumsi bahan

bakarnya 25 kg/jam dengan nilai kalor 1500 kcal/kg. Adapun data

kendaran bermotornya adalah mesin 4 tak, satu silinder, dengan volume

langkah 100 cm2. Hitunglah efisiseni efektifnya ! dan berapa SFC ?

2. Seorang pemilik kendaraan bermotor berniat untuk memasang AC (80

Hp) pada mobil sedannya, sebelum melakukan pemasangan, si pemilik

sedan membawa mobilnya ke sebuah bengkel untuk diuji dayanya. Dari

hasil uji diperoleh data sebagai berikut. Torsi maksimum 150 kg.m

tercapai pada putaran 3000 rpm. Data-data sedannya adalah : Mesin 4

tak 8 silinder, volume langkah 1500 cm3, tekanan indikator rata-rata 15

kg/cm2. Batas minimum efisiensi efektif adalah 10% mobil sedan masih

bekerja normal. Periksa apakah dengan pemasangan AC mobil sedan

masih dapat bekerja normal. !!

Page 111: Konversi Energi

104

4. Kegiatan belajar 4 : Pengetahuan Dasar Turbin

a. Tujuan Pembelajaran :

Setelah mempelajari secara keseluruhan materi kegiatan belajar dalam modul ini

peserta diklat diharapkan mampu :

1) Menjelaskan difinisi Turbin Uap dengan benar

2) Menjelaskan perbedaan dan persamaan Turbin Impuls dan Reaksi dengan

benar

3) Menjelaskan apa yang dimaksud dengan Segitiga Kecepatan pada turbin

dengan benar

4) Menjelaskan perbedaan macam-macam turbin Impuls dengan benar

b. Uraian materi :

1. Sejarah Turbin

Penggunaan turbin uap untuk keperluan industri merupakan pilihan yang cukup

menguntungkan karena mempunyai efisiensi yang relatif tinggi dan bahan bakar

yang digunakan untuk pembangkitan uap dapat bervariasi. Penggunaan turbin

uap yang paling banyak adalah untuk mesin pembangkitan tenaga listrik.

Sumber uap panas sebagai fluida yang mempunyai energi potensial tinggi

berasal dari sistem pembangkit uap (boiler) atau dari sumber uap panas

geotermal.

Adapun definisi turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi

potensial uap menjadi energi kinetik kemudian energi kinetik tersebut diubah

menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Poros turbin dihubungkan

dengan yang digerakkan, yaitu generator atau peralatan mesin lainnya,

menggunakan mekanisme transmisi roda gigi. Berdasarkan definisi tersebut

maka turbin uap termasuk mesin rotari. Jadi berbeda dengan motor bakar yang

merupakan mesin bolak-balik (reciprocating).

Page 112: Konversi Energi

105

Gambar 2.82Mesin uap Hero

Dalam sejarah, mesin uap pertama kali dibuat oleh Hero dari Alexandria, yaitu

sebuah prototipe turbin uap primitif yang bekerja menggunakan prisip reaksi.

Gambar 2.82menunjukkan turbin uap Hero dimana tubin ini terdiri dari sumber

kalor, bejana yang diisi dengan air dan pipa tegak yang menyangga bola dimana

pada bola terdapat dua nosel uap. Proses kerjanya adalah sebagai berikut,

sumber kalor akan memanasi air di dalam bejana sampai air menguap, lalu uap

tersebut mengalir melewati pipa tegak masuk ke bola. Uap tersebut terkumpul di

dalam bola, kemudian melalui nosel menyembur ke luar, karena semburan

tersebut, bola mejadi berputar.

Selanjutnya setelah penemuan Hero, beberapa abad kemudian dikembangkan

turbin uap oleh beberapa orang yang berusaha memanfaatkan uap sebagai

sumber energi untuk peralatan mereka. Thomas Savery (1650-1715) adalah

orang Inggris yang membuat mesin uap bolak-balik pertama, mesin ini tidak

populer karena mesin sering meledak dan sangat boros uap. Untuk memperbaiki

kinerja dari mesin Savery, Denis Papin (1647-1712) membuat katup-katup

pengaman dan mengemukakan gagasan untuk memisahkan uap air dan air

dengan menggunakan torak.

Gagasan Papin direspons oleh Thomas Newcomen ( 1663-1729) yang

merancang dan membangun mesin menggunakan torak. Prinsip kerja yaitu uap

tekanan rendah dimasukan ke silinder dan menekan torak sehingga bergerak ke

atas. Selanjutnya, silinder disemprot air sehingga terjadi kondensasi uap, tekanan

Page 113: Konversi Energi

106

menjadi turun dan vakum. Karena tekanan atmosfer dari luar torak turun maka

terjadi langkah kerja.

Perkembangan mesin uap selanjutnya adalah mesin uap yang dikembangkan

oleh James Watt. Selama kurang lebih 20 tahun ia mengembangkan dan

memperbaiki kinerja dari mesin Newcomen. Gagasan James Watt yang paling

penting adalah mengkonversi gerak bolak-balik menjadi geraka putar (1781).

Mesin tersebut kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Corliss (1817-1888),

yaitu dengan mengembangkan katup masuk yang menutup cepat, untuk

mencegah pencekikan katup pada waktu menutup. Mesin Corliss menghemat

penggunaan bahan bakar batu bara separo dari batu bara yang digunakan mesin

uap James watt.

Kemudian Stumpf (1863) mengembangkan mesin uniflow yang dirancang untuk

mengurangi susut kondensasi. Mesin uap yang dibuat paling besar pada abad 18

adalah menghasikan daya 5 MW, pada waktu itu dianggap raksasa, karena tidak

ada lagi mesin yang lebih besar. Seiring dengan kebutuhan tenaga listrik yang

besar, kemudian banyak pengembangan untuk membuat mesin yang lebih

efisien yang berdaya besar.

Mesin uap bolak-balik memiliki banyak keterbatasan, antara lain mekanismenya

terlalu rumit karena banyak penggunaan katup-katup dan juga mekanisme

pengubah gerak bolak-balik menjadi putaran. Maka untuk memenuhi tuntutan

kepraktisan mesin uap dengan efisiensi berdaya lebih besar, dikembangkan

mesin uap rotari. Mesin uap rotari komponen utamanya berupa poros yang

bergerak memutar. Model konversi energi potensial uap tidak menggunakan

torak lagi, tetapi menggunakan sudu-sudu turbin.

Gustav de Laval (1845-1913) dari Swedia dan Charles Parson (1854-1930) dari

Inggris adalah dua penemu awal dari dasar turbin uap modern. De laval pada

mulanya mengembangkan turbin rekasi kecil berkecepatan tinggi, namun

menganggapnya tidak praktis dan kemudian mengembangkan turbin impuls satu

tahap yang andal, dan namanya digunakan untuk nama turbin jenis impuls.

Berbeda dengan De laval, Parson mengembang turbin rekasi tingkat banyak,

turbinnya dipakai pertama kali pada kapal laut.

Page 114: Konversi Energi

107

Disamping para penemu di atas, penemu-penemu lainnya saling melengkapi dan

memperbaiki kinerja dari turbin uap. Rateau dari Prancis mengembangkan turbin

impuls tingkat banyak, dan C.G. Curtis dari Amerika Serikat mengembangkan

tubin impuls gabungan kecepatan. Selanjutnya, penggunaan turbin uap meluas

dan praktis menggantikan mesin uap bolak-balik, dengan banyak keuntungan.

Penggunaan uap panas lanjut yang meningkatkan efisiensi sehingga turbin uap

berdaya besar (1000 MW, 3600 rpm, 60 Hz) banyak dibangun.

2. Asas Impuls dan Reaksi

Turbin adalah mesin rotari yang bekerja karena terjadi perubahan energi kinetik

uap menjadi putaran poros turbin. Proses perubahan itu terjadi pada sudu-sudu

turbin. Sebagai perbandingan dengan mesin torak yang bekerja karena ekpansi

energi panas gas atau uap di dalam silinder yang mendorong torak untuk

bergerak bolak-balik. Pada dasarnya, prinsip kerja mesin torak dengan turbin

uap adalah sama. Fluida gas dengan energi potensial yang besar berekspansi

sehingga mempunyai energi kinetik tinggi yang akan medorong torak atau sudu,

karena dorongan atau tumbukan tersebut, torak atau sudu kemudian bergerak.

Proses tumbukan inilah yang dinamakan dengan Impuls.

Gambar 2.83 Azas impuls pada plat datar dan sudu

Azas impuls dapat dijelaskan dengan metode sebagai berikut. Pada gambar 2.83

A adalah sebuah pelat yang ditumbuk dengan fluida gas berkecepatan Vs, dan

laju massa ·m, karena pelat itu beroda sehingga bergerak dengan kecepatan Vb.

Besarnya daya dapat dihitung dengan persamaan:∂

Page 115: Konversi Energi

108

sedangkan pada ganbar B adalah sebuah sudu yang ditumbuk fluida gas dengan

laju masa ·m, maka daya yang dihasilkan adalah:

Dari dua model di atas, dapat dilihat bahwa model sudu mempunyai daya yang

lebih besar pada kecepatan dan laju massa fluida gas yang sama. Maka dengan

alasan tersebut, bentuk sudu dianggap yang paling efisien untuk diterapkan pada

turbin uap atau jenis turbin lainnya seperi turbin gas dan air.

Penerapan model sudu tersebut di atas pada turbin uap, penataannya kurang

lebih seperti pada gambar 2.84, yaitu menata sudusudu tersebut sebaris

mengelilingi roda jalan atau poros turbin uap, sehingga terjadi keseimbangan

gaya.

Gambar 2.84 Sudu sudu impuls pada rotor turbin uap

Gambar 2.85 Mesin uap Branca dengan turbin impuls

Page 116: Konversi Energi

109

Model turbin impuls dalam sejarahnya sudah pernah dibuat oleh Branca

(Gambar 2.85). Prinsip kerjanya adalah dengan menyemburkan uap

berkecapatan tinggi melalui nosel ke sudu-sudu impuls pada roda jalan. Akibat

adanya tumbukan antara semburan gas dengan sudu-sudu jalan turbin impuls,

poros turbin menjadi berputar.

Berbeda dengan azas impuls azas reaksi, untuk sebagaian orang lebih sulit

dipahami. Untuk menggambarkan azas reaksi bekerja pada gambar adalah

model jet uap dari Newton.

Gambar 2.86 Mesin uap Newton gaya aksi rekasi

Semburan uap dari tabung mempunyai energi kinetik yang besar sehingga

sepeda akan bergerak ke kiri. Dari hal tersebut dapat dipahami bahwa mesin

tersebut bekerja dengan azas reaksi, yaitu semburan uap melakukan aksi

sehingga timbul reaksi pada sepeda untuk begerak melawan aksi. Pada gambar

adalah contoh lain dari aksi-reaksi.

Page 117: Konversi Energi

110

Gambar 2.87 Gaya aksi-reaksi pada balon

3. Segitiga Kecepatan

Segitiga kecepatan adalah dasar kinematika dari aliran fluida gas yang

menumbuk sudut turbin.

Gambar 2.88 Segitiga kecepatan pada sudu turbin impuls

Dengan pemahaman segitiga kecepatan akan sangat membantu dalam

pemahaman proses konversi pada sudusudu turbin uap atau pada jenis turbin

yang lain. Adapun notasi dari segitiga kecepatan adalah sebagai berikut

Dari segitiga kecepatan di atas, panjang pendeknya garis adalah mewakili dari

besar kecepatan masing-masing. Sebagai contoh, fluida masuk sudu dari nosel

dengan kecepatan VS1 kemudian ke luar dari nosel sudah berkurang menjadi VS2

Page 118: Konversi Energi

111

dengan garis yang lebih pendek. Artinya sebagian energi kinetik fluida masuk

sudu diubah menjadi energi kinetik sudu dengan kecepatan VB , kemudian fluida

yang sudah memberikan energinya meninggalkan sudu dengan kecepatan VS2.

Proses perubahan atau konversi energi pada turbin adalah sama dengan

perubahan energi pada motor bakar, tetapi dengan metode yang berbeda. Untuk

motor bakar, pada langkah ekspansi fluida gas yaitu gas pembakaran energinya

mengalami penurunan bersamaan dengan penurunan tekanan di dalam silinder.

Hal itu terjadi karena sebagian energinya diubah menjadi energi kinetik gas

pembakaran dan dikenakan langsung pada torak. Karena ada dorongan dari

energi kinetik gas pembakaran torak bergerak searah dengan gaya dorong

tersebut, kondisi ini disebut langkah tenaga.

Gambar 2.89 Proses ekspansi pada nosel

Pada turbin, proses perubahan energi mulai terjadi di nosel, yaitu ekspansi fluida

gas pada nosel. Pada proses ekspansi di nosel, energi fluida mengalami

penurunan, demikian juga tekanannya. Berbarengan dengan penurunan energi

dan tekanan, kecepatan fluida gas naik, dengan kata lain energi kinetik fluida

gas naik karena proses ekspansi. Kemudian, fluida gas dengan energi kinetik

tinggi menumbuk sudu turbin dan memberikan sebagian energinya ke sudu,

sehingga sudu pun begerak. Perubahan energi dengan tumbukan fluida di sudu

adalah azas impuls.

Untuk perubahan energi dengan azas reaksi, sudu turbin reaksi berfungsi seperti

nosel. Hal ini berarti, pada sudu turbin reaksi terjadi proses ekspansi, yaitu

penurunan tekanan fluida gas dengan dibarengi kenaikan kecepatan. Karena

prinsip reaksi adalah gerakan melawan aksi, jadi dapat dipahami dengan

kenaikan kecepatan fluida gas pada sudu turbin reaksi, sudu turbin pun akan

bergerak sebesar nilai kecepatan tersebut dengan arah yang berlawanan.

Page 119: Konversi Energi

112

Gambar 2.90 Fungsi nosel

Gambar 2.91 Segitiga kecepatan sudu bergerak turbin reaksi

4. Turbin Impuls

Turbin impuls adalah turbin yang mempunyai roda jalan atau rotor dimana

terdapat sudu-sudu impuls. Sudu-sudu impuls mudah dikenali bentuknya, yaitu

Page 120: Konversi Energi

113

simetris dengan sudut masuk ø dan sudut ke luar γ yang sama (20 0), pada turbin

biasanya ditempatkan pada bagian masuk dimana uap bertekanan tinggi dengan

volume spesifik rendah. Bentuk turbin impuls pendek dengan penampang yang

konstan.

Ciri yang lain adalah secara termodinamika penurunan energi terbanyak pada

nosel, dimana pada nosel terjadi proses ekspansi atau penuruan tekanan. Sudu-

sudu turbin uap terdiri dari sudu tetap dan sudu gerak. Sudu tetap berfungsi

sebagai nosel dengan energi kinetik yang naik, sedangkan pada sudu begerak

tekanannya konstan atau tetap. Berdasarkan karakteristik tersebut, turbin impuls

sering disebut turbin tekanan sama.

Bentuk dari sudu tetap turbin impuls ada dua macam yaitu bentuk simetris dan

bentuk tidak simetris. Pada bentuk sudu tetap simetris, profil kecepatan dan

tekanan adalah sama, tidak ada perubahan kecepatan dan tekanan. Sedangkan

pada sudu tetap yang berfungsi sebagi nosel mempunyai bentuk seperti nosel,

yaitu antar penampang sudu membetuk penampang yang menyempit pada

ujungnya. Karena bentuknya nosel, kecepatan akan naik dan tekanan turun.

Bentuk pertama simetri dipakai pada turbin uap Curtis dan bentuk yang kedua

dipakai turbin uap Rateau.

Gambar 2.92 Bentuk sudu tetap turbin impuls

Page 121: Konversi Energi

114

Gambar 2.93 Turbin uap impuls satu tahap

4.1 Turbin impuls satu tahap ( Turbin De Laval)

Pada gambar 2.93 di atas adalah skema turbin De laval atau turbin impuls satu

tahap. Turbin terdiri dari satu atau lebih nosel konvergen divergen dan sudu-

sudu impuls terpasang pada roda jalan (rotor). Tidak semua nosel terkena

semburan uap panas dari nosel, hanya sebagian saja. Pengontrolan putaran

dengan jalan menutup satu atau lebih nosel konvergen divergen.

Adapun cara kerjanya adalah sebagai berikut. Aliran uap panas masuk nosel

konvergen divergen, di dalam nosel uap berekspansi sehingga tekanannya turun.

Berbarengan dengan penurunan tekanan, kecepatan uap panas naik, hal ini

berarti terjadi kenaikan energi kinetik uap panas. Setelah berekspansi, uap panas

menyembur ke luar nosel dan menumbuk sudu-sudu impuls dengan kecepatan

abolut Vs1. Pada sudu-sudu impuls uap panas memberikan sebagian energinya

ke sudusudu, dan mengakibatkan sudu-sudu bergerak dengan kecepatan Vb.

Page 122: Konversi Energi

115

Tekanan pada sudu-sudu turbin adalah konstan atau tetap, sedangkan kecepatan

uap ke luar sudu berkurang menjadi Vs2.

4.2 Turbin impuls gabungan

Turbin impuls satu tahap atau turbin De laval mempunyai kendalakendala teknis

yang tidak menguntungkan. Sebagai contoh, kecepatan uap masuk sudu terlalu

tinggi kalau hanya untuk satu baris sudu, efeknya kecepatan putar sudu menjadi

tinggi, dan melampaui batas keselamatan yang diizinkan, karena tegangan

sentrifugal yang harus ditahan material rotor. Disamping itu dengan kecepatan

rotor yang tinggi diperlukan roda gigi reduksi yang besar dan berat untuk

menghubungkan rotor dengan generator listrik. Dengan alasan-alasan tersebut,

dikembangkan dua pilihan turbin impuls gabungan yaitu turbin gabungan

kecepatan atau turbin Curtiss dan turbin impuls gabungan tekanan atau turbin

Rateau.

4.3 Turbin impuls Curtiss

Turbin uap Curtiss adalah turbin yang bekerja dengan prinsip impuls secara

bertahap. Berbeda dengan turbin satu tahap, turbin Curtiss mempunyai beberapa

baris sudu bergerak dan baris sudu tetap. Pada gambar 2.94 adalah susunan

turbin uap Curtiss, proses ekspansi uap panas pada nosel, dimana kecepatan uap

panas naik ( Vs1) dan tekanan turun.

Uap panas yang mempunyai kecepatan tinggi masuk baris pertama sudu

bergerak, pada tahap ini uap memberikan sebagian energinya sehingga

kecepatannya turun (Vs2). Selanjutnya, sebelum masuk baris sudu bergerak

tahap II, terlebih dahulu melewati sudu tetap. Pada sudusudu tetap yang

berbentuk simetris, uap tidak kehilangan energinya, kecepatan (Vs3) dan

tekanannya konstan. Uap dengan kecepatan Vs3 setelah melewati sudu tetap

masuk baris sudu bergerak tahap II, uap memberikan energinya yang tersisa ke

sudu-sudu bergerak, karena itu kecepatannya turun kembali menjadi Vs4.

Page 123: Konversi Energi

116

Gambar 2.94 Susunan turbin uap Curtiss

Pada turbin Curtiss penurunan uap terjadi dengan sempurna pada nosel sehingga

tidak ada penurunan tekanan lagi pada sudu-sudu, dan energi kinetik dari nosel

dipakai oleh dua baris sudu bergerak tidak hanya satu baris saja. Ciri khas dari

turbin ini adalah kecepatan akan turun setelah melewati sudu bergerak, dan

kecepatannya konstan pada sudu tetap. Untuk memahami lebih lanjut tentang

perubahan nilai kecepatan, dapat menggunakan analisis segitiga kecepatan dari

turbin Curtiss. Sebagai contoh dapat dilihat pada gambar 2.95.

Page 124: Konversi Energi

117

Gambar 2.95 Segitiga kecepatan turbin uap Curtiss

4.4 Turbin impuls Rateau

Pada turbin Curtiss yaitu turbin gabungan kecepatan yang sudah dibahas pada

sub-bab di atas, masih mempunyai kelemahan yaitu kecepatan uapnya masih

tinggi, sehingga timbul gesekan yang merupakan kerugian aliran. Kondisi ini

sama dengan turbin impuls satu tahap. Untuk mengatasi hal tersebut, Rateau

membuat turbin impuls gabungan tekanan. Pada turbin ini, turbin dibagi menjadi

beberapa bagian dengan susunan seri, dimana setiap bagian terdiri dari nosel dan

sudu bergerak, yaitu sama dengan susunan turbin satu tahap.

Gambar 2.96 adalah skema sederhana dari turbin Rateau. Dari gambar tersebut

didapat susunan dasar turbin, yaitu terdiri dari dua bagian kombinasi nosel dan

sudu bergerak. Dari diagram tekanan dan kecepatan absolut dapat dibahas

sebagai berikut. Uap panas pertama masuk pada bagian pertama, kecepatan akan

naik pada nosel dan kemudian turun pada sudu bergerak. Selanjutnya, uap panas

masuk ke nosel bagian dua, kecepatan naik lagi pada nosel dan turun kembali

Page 125: Konversi Energi

118

pada sudu bergerak. Pada setiap bagian, uap akan mengalami penurunan tekanan

setelah dari nosel.

Jadi pada turbin Rateau, uap panas akan berekspansi setiap masuk nosel, dengan

demikian energi uap akan terbagi merata. Jika dibandingkan dengan turbin satu

tahap, pada turbin ini jumlah energi uap panas yang berekspansi per noselnya

jauh lebih kecil, sehingga kenaikan kecepatan absolutnya tidak terlalu tinggi.

Turbin ini mempunyai keunggulan yaitu kecepatan sudunya rendah, kecepatan

uap rendah (gesekan kecil), dan distribusi kerja per bagian merata.

Kelemahannya adalah penurunan tekanan yang terus menerus pada setiap

bagian, sehingga resiko kebocoran uap lebih besar. Untuk memperoleh efisiensi

tinggi, turbin Rateau juga harus mempunyai tahapan yang banyak. Dengan

alasan-alasan tersebut, turbin Rateau banyak dipakai untuk unit yang besar,

dimana efisiensi lebih penting daripada biaya investasi.

Gambar 2.96 Segitiga kecepatan turbin uap Rateau

Pada gambar adalah contoh segitiga kecepatan dari turbin Rateau. Berdasarkan

segitiga tersebut terlihat bahwa bentuk dari segitiga adalah sama untuk setiap

tahap, dimana bentuknya adalah segitiga kecepatan turbin satu tahap yang

disusun seri. Kecepatan Vs1 dari sudu tetap yang berfungsi nosel, akan masuk

ke sudu bergerak dan nilainya turun menjadi Vs2, demikian juga untuk

Page 126: Konversi Energi

119

kecepatan relatifnya juga turun. Kemudian, kecepatan Vs2 naik lagi setelah

melewati sudu bergerak menjadi Vs3, dimana nilai kecepatan ini secara ideal

adalah sama dengan Vs1, dan prosesnya berlanjut sampai tahap terakhir turbin.

Gambar 2.97 Susunan turbin uap Rateau

5. Turbin Reaksi

Turbin reaksi pertama kali dikenalkan oleh Parson. Gambar 2.98 adalah contoh

turbin reaksi tiga tahap, terdiri dari 3 baris sudu tetap dan 3 baris sudu bergerak.

Sudu tetap dibuat sedemikian rupa sehingga fungsinya sama dengan nosel.

Sedangkan sudu bergerak dapat dibedakan dengan jelas dengan sudu impuls karena

tidak simetris. Sudu bergerak pun difungsikan sebagai nosel, karena fungsinya yang

sama dengan sudu tetap, maka bentuknya sama dengan sudu tetap, tetapi arah

lengkungannya berlawanan.

Page 127: Konversi Energi

120

Gambar 2.98 Susunan turbin uap Rateau

Penurunan tekanan adalah sinambung dari tahap satu ke tahap berikutnya, dari

sudu tetap dan sudu bergerak. Kecepatan absolutnya setiap melewati sudu tetap

akan naik dan setelah melewati sudu bergerak akan turun, selanjutnya akan

berulang sampai akhir tahap.

Pada gambar 2.99 adalah contoh segitiga kecepatan dari turbin rekasi dua tahap.

Dari gambar segitiga kecepatan tersebut menunjukkan bentuk segitiga kecepatan

untuk sudu tetap akan sama, demikian juga untuk sudu gerak. Kecepatan Vs1

dari sudu tetap akan turun nilainya setelah melwati sudu bergerak menjadi

Page 128: Konversi Energi

121

Vs2,akan tetapi kecepatan relatinya menjadi besar yaitu Vr2. Selanjutnya, Vs2

dinaikan lagi nilainya setelah masuk ke sudu tetap, menjadi Vs3 yang sama

dengan Vs1, dan seterusnya sampai tahap akhir turbin.

Gambar 2.99 Susunan turbin uap Rateau

Daya yang dihasilkan turbin rekasi dapat dihitung dengan persamaan sebagai

berikut:

dan daya optimum tercapai pada kecepatan sudu optimum yaitu:

c. Rangkuman

1. Definisi turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi

potensial uap menjadi energi kinetik kemudian energi kinetik tersebut

diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Poros turbin

dihubungkan dengan yang digerakan, yaitu generator atau peralatan

mesin lainnya, menggunakan mekanisme transmisi roda gigi. Turbin

adalah mesin rotari yang bekerja karena terjadi perubahan energi kinetik

uap menjadi putaran poros turbin. Proses perubahan itu terjadi pada sudu-

sudu turbin.

2. Pada turbin, proses perubahan energi mulai terjadi di nosel, yaitu

ekspansi fluida gas pada nosel. Pada proses ekspansi di nosel, energi

fluida mengalami penurunan, demikian juga tekanannya. Berbarengan

Page 129: Konversi Energi

122

3. dengan penurunan energi dan tekanan, kecepatan fluida gas naik, dengan

kata lain energi kinetik fluida gas naik karena proses ekspansi.

Kemudian, fluida gas dengan energi kinetik tinggi menumbuk sudu

turbin dan memberikan sebagian energinya ke sudu, sehingga sudu pun

begerak. Perubahan energi dengan tumbukan fluida di sudu adalah azas

impuls.

4. Perubahan energi dengan azas reaksi, sudu turbin reaksi berfungsi seperti

nosel. Pada sudu turbin reaksi terjadi proses ekspansi, yaitu penurunan

tekanan fluida gas dengan dibarengi kenaikan kecepatan. Karena prinsip

reaksi adalah gerakan melawan aksi, jadi dapat dipahami dengan

kenaikan kecepatan fluida gas pada sudu turbin reaksi, sudu turbin pun

akan bergerak sebesar nilai kecepatan tersebut dengan arah yang

berlawanan.

5. Bentuk dari sudu tetap turbin impuls ada dua macam yaitu bentuk

simetris dan bentuk tidak simetris. Pada bentuk sudu tetap simetris, profil

kecepatan dan tekanan adalah sama, tidak ada perubahan kecepatan dan

tekanan. Sedangkan pada sudu tetap yang berfungsi sebagi nosel

mempunyai bentuk seperti nosel yaitu antar penampang sudu membetuk

penampang yang menyempit pada ujungnya. Bentuk pertama simetrisi

dipakai pada turbin uap Curtis dan bentuk yang kedua dipakai turbin uap

Rateau.

6. Turbin De laval atau turbin impuls satu tahap. Turbin terdiri satu atau

lebih nosel konvergen divergen dan sudu-sudu impuls terpasang pada

roda jalan (rotor). Tidak semua nosel terkena semburan uap panas dari

nosel, hanya sebagian saja. Pengontrolan putaran dengan jalan menutup

satu atau lebih nosel konvergen divergen.

7. Pada Turbin reaksi sudu tetap dibuat sedemikian rupa sehingga fungsinya

sama dengan nosel. Sedangkan sudu bergerak dapat dibedakan dengan

jelas dengan sudu impuls karena tidak simetris. Sudu bergerak pun

difungsikan sebagai nosel, karena fungsinya yang sama dengan sudu

tetap, maka bentuknya sama dengan sudu tetap, tetapi arah

lengkungannya berlawanan.

Page 130: Konversi Energi

123

d. Tugas

Soal

1. Jelaskan prinsip dari kerja turbin dan bagaimana urutan konversi

energinya. . ?

2. Sebutkan macam-macan turbin yang anda ketahui selain turbin uap !

3. Jelaskan kerja turbin impuls dan reaksi !

4. Apa perbedaan antara turbin De laval, Curtis dan Rateau. ?

5. Jelaskan perbedaan dan persamaan Turbin Impuls dan Reaksi . . ?

6. Jelaskan apa yang dimaksud dengan Segitiga Kecepatan pada turbin . . .?

7. Jelaskan perbedaan macam-macam turbin Impuls . . ?

Page 131: Konversi Energi

124

5. Kegiatan belajar 5 : Turbin Gas

a. Tujuan Pembelajaran :

Setelah mempelajari secara keseluruhan materi kegiatan belajar dalam modul ini

peserta diklat diharapkan mampu :

1) Menjelaskan prinsip kerja turbin gas dengan benar

2) Menjelaskan persamaan dan perbedaan turbin gas dengan motor bakar

dengan benar

3) Menjelaskan keunggulan turbin dari mesin konversi energi lainnya dengan

benar

4) Menjelaskan macam-macam turbin gas dengan benar

5) Menjelaskan komponen-komponen utama turbin gas dengan benar

b. Uraian materi :

1. Turbin Gas

Turbin gas adalah sebuah mesin panas pembakaran dalam, proses kerjanya seperti

motor bakar [gambar 16.1] yaitu udara atmosfer dihisap masuk kompresor dan

dikompresi, kemudian udara mampat masuk ruang bakar dan dipakai untuk proses

pembakaran, sehingga diperoleh suatu energi panas yang besar. Energi panas

tersebut diekspansikan pada turbin dan menghasilkan energi mekanik pada poros.

Sisa gas pembakaran yang ke luar turbin menjadi energi dorong (turbin gas pesawat

terbang). Jadi jelas bahwa turbin gas adalah mesin yang dapat mengubah energi

panas menjadi energi mekanik atau dorong.

Persamaan turbin gas dengan motor bakar adalah pada proses pembakarannya yang

terjadi di dalam mesin itu sendiri. Disamping itu proses kerjanya adalah sama yaitu:

hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan buang. Perbedaannya adalah terletak

pada konstruksinya. Motor bakar kebanyakan bekerja gerak bolak-balik

(reciprocating) sedangkan turbin gas adalah mesin rotasi, proses kerja motor bakar

bertahap (intermiten), untuk turbin gas adalah kontinyu dan gas buang pada motor

bakar tidak pernah dipakai untuk gaya dorong.

Page 132: Konversi Energi

125

Gambar 2.100 Mesin pembakaran dalam (turbin gas dan motor bakar)

Turbin gas bekerja secara kontinyu tidak betahap, semua proses yaitu hisap,

kompresi, pembakaran dan buang adalah berlangsung bersamaan. Pada motor

bakar yang prosesnya bertahap yaitu yang dinamakan langkah, yaitu langkah

hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan langkah buang. Antara langkah satu

dan lainnya saling bergantung dan bekerja bergantian. Pada proses ekspansi

turbin gas, terjadi perubahan energi dari energi panas mejadi energi mekanik

putaran poros turbin, sedangkan pada motor bakar pada langkah ekspansi terjadi

perubahan dari energi panas menjadi energi mekanik gerak bolak-balik torak.

Dengan kondisi tersebut, turbin gas bekerja lebih halus dan tidak banyak

getaran.

Page 133: Konversi Energi

126

Gambar 2.101Perbandingan turbin gas dan mesin disel

Turbin gas banyak digunakan untuk mesin propulsi atau jet [gambar 16.1],

mesin otomotif, tenaga pembangkit listrik [gambar 16.2], atau penggerak

peralatan-peralatan industri seperti penggerak kompresor atau pompa. Daya

yang dihasilkan turbin gas mulai dari 250.000 HP untuk pembangkit listrik

sampai 5 HP pada turbocharger pada mesin motor.

Keunggulan dari turbin gas adalah mesinnya yang ringan dan ukuran yang kecil

namun dapat menghasilkan daya yang besar. Sebagai contoh pada gambar

2.101adalah turbin gas yang biasa dipakai untuk penggerak generator lisitrik

kecil. Generator ini banyak dipakai untuk mengantisipasi beban puncak jaringan,

sehingga fungsinya dapat menggantikan kalau terjadi pemadaman listrik.

Gedung-gedung perkantoran, rumah sakit, universitas, perusahaan dan lainnya,

banyak yang menggunakan generator jenis ini. Dibandingkan dengan

Page 134: Konversi Energi

127

penggunaan generator penggerak disel, dengan penggerak turbin gas ukurannya

menjadi lebih kecil, sehingga dapat menghemat tempat dan mudah dipindahkan.

Pesawat terbang memerlukan mesin dengan persyaratan yang spesifik yaitu

mesin dengan daya besar untuk daya dorong, tetapi ringan dan dari segi ukuran

harus kecil. Dengan alasan tersebut, penggunaan turbin gas pada pesawat

terbang menjadi pilihan yang tepat, dan tidak dapat digantikan jenis mesin lain.

Pada industri dan pembangkitan listrik turbin gas sangat menguntungkan karena

mesin mudah diinstal, operasinya tidak ruwet, dan tidak memerlukan ruangan

yang besar.

2. Sejarah Perkembangan

Pengembangan turbin gas sebagai salah satu mesin penggerak sudah

menghabiskan waktu yang lama sekali. Dimulai abad ke-19 Charles Curtis

mengajukan paten untuk turbin gas yaitu pada tanggal 24 Juni 1985. Kemudian

pada tahun 1903 Aegedius Elling berhasil membuat mesin turbin gas dengan

daya 11 HP. Pada tahun 1939 perusahaan Swiss, Brown Boverei Company

berhasil membuat turbin gas untuk pembangkit tenaga dengan daya 4.000 kW.

Untuk industri pesawat terbang mulai dikembangkan pada tahun 1930-an. Hans

von Ohains (Jerman) berhasil menjalankan turbin gasnya pada bulan maret

1937.Frank Whittles pada april 1937 juga berhasil menjalankan mesin turbin

gasnya.

Pesawat terbang pertama yang terbang dengan mesin turbin gas adalah mesin jet

Jerman pada 27 agustus 1939, sedangkan Inggris tahun 1941. Penggunaan turbin

gas untuk lokomotif pertama kali tahun 1941 di Swiss, dan untuk mesin mobil

tahun 1950 di Inggris. Pengembangan terus dilanjutkan sampai ke era modern,

mesin-mesin jet tempur canggih sudah berhasil diciptakan. Efisiensi juga terus

diperbaiki sehingga turbin gas masa kini menjadi salah satu pilihan utama

sebagai mesin penggerak.

Page 135: Konversi Energi

128

Gambar 2.102 Pesawat terbang pendahulu dengan turbin gas

Gambar 2.103 Perkembangan turbin gas menjadi mesin modern

Page 136: Konversi Energi

129

3. Dasar Kerja Turbin Gas

Pada gambar 16.5 adalah salah satu mesin turbin gas pesawat terbang, adapun

cara kerjanya adalah sebagai berikut. Motor starter dinyalakan, kompresor

berputar dan mulai bekerja menghisap udara sekitar, udara kemudian

dimampatkan. Udara pada tahap pertama dimampatkan dahulu pada kompresor

tekanan rendah, diteruskan kompresor tekanan tinggi. Udara mampat

selanjutnya masuk ruang bakar, bercampur dengan bahan bakar yang sudah

disemprotkan. Campuran bahan bakar-udara mampat kemudian dinyalakan dan

terjadi proses pembakaran. Gas hasil proses pembakaran berekspansi pada

turbin, terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin,

sebagian gas pembakaran menjadi gaya dorong. Setelah memberikan sisa gaya

dorongnya, gas hasil pembakaran ke luar melalui saluaran buang. Dari proses

kerja turbin gas pesawat terbang tersebut, dihasilkan daya turbin yang digunakan

untuk menggerakan kompresor, menghasikan daya dorong, dan menggerakan

peralatan bantu lainnya.

Gambar 2.104 Turbin gas pesawat terbang

Page 137: Konversi Energi

130

Terlihat pada gambar disamping turbin gas dipasang pada sayap pesawat terbang

untuk menghasilkan daya dorong. Turbin gas harus ringan, daya besar dan

tingkat keberhasilan selama beroperasi harus 100%.

Turbin gas yang dipakai industri dapat dilihat pada gambar 2.87 dan cara

kerjanya sama dengan turbin gas pesawat terbang. Motor starter dinyalakan

untuk memutar kompresor, udara segar terhisap masuk dan dimampatkan.

Kemudian udara mampat dengan temperatur dan tekanan yang cukup tinggi

(2000C, 6 bar) mengalir masuk ruang bakar bercampur dengan bahan bakar.

Campuran udara mampat bahan-bakar kemudian dinyalakan dan terjadi proses

pembakaran, temperatur gas pembakaran naik drastis. Gas pembakaran dengan

temperatur tinggi (6 bar, 7500C) berekspansi pada turbin, sehingga terjadi

perubahan energi, dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin. Gas

pembakaran setelah berekspansi di turbin, lalu ke luar sebagai gas bekas.

Selanjutnya, turbin gas bekerja dengan putaran poros turbin, yaitu sebagai

sumber tenaga penggerak kompresor dan generator listrik.

Page 138: Konversi Energi

131

Gambar 2.105 Turbin gas untuk industri (pembangkit listrik)

Dari uraian cara kerja turbin gas di atas, dapat disebutkan komponen-komponen

mesin turbin gas yang penting, yaitu kompresor, ruang bakar, dan turbin. Jadi,

daya yang dihasilkan turbin tidak hanya menggerakan beban, yaitu generator

listrik, tetapi juga harus menggerakan kompresor.

4. Bahan Bakar Turbin Gas

Bahan bakar untuk turbin gas harus memenuhi persyaratan tertentu sebelum

digunakan pada proses pembakaran. Persyaratan tersebut yaitu bahan bakar

mempunyai kadar abu yang tidak tinggi. Dengan alasan, bahan bakar yang

mempunyai kadar abu yang tinggi, pada proses pembakaran dihasilkan gas

pembakaran yang mengandung banyak partikel abu yang keras dan korosif. Gas

pembakaran dengan karakteristik tersebut, akan mengenai dan merusak sudu-

sudu turbin pada waktu proses ekspansi pada temperatur tinggi.

Dengan persyaratan tersebut di atas, bahan bakar yang memenuhi persyaratan

adalah bahan bakar cair dan gas. Bahan bakar cair dan gas cenderung

mempunyai kadar abu yang rendah jika dibandingkan dengan bahan bakar padat,

sehingga lebih aman digunakan sebagai bahan bakar turbin gas.

Bahan bakar yang digunakan turbin gas pesawat terbang, persyaratan yang haus

dipenui adalah lebih ketat, hal ini karena menyangkut faktor keamanan dan

keberhasilan selama turbin gas beroperasi. Adapun persyaratannya adalah :

Nilai kalor per satuan berat dari bahan bakar harus tinggi. Dengan jumlah bahan

bakar yang sedikit dan ringan dengan tetapi nilai kalornya tinggi sangat

menguntungkan karena mengurangi berat pesawat terbang secara keseluruhan.

Kemampuan menguap (volatility) dari bahan bakar tidak terlalu tinggi, oleh

karena pada harga volatility yang tinggi bahan bakar akan mudah sekali

menguap, terutama pada ketinggian tertentu. Hal ini akan membahayakan karena

bahan bakar menjadi mudah terbakar. Disamping itu, saluran bahan bakar

mudah tersumbat karena uap bahan bakar.

Kemurnian dan kestabilan bahan bakar harus terjamin, yaitu bahan bakar tidak

mudah mengendap, tidak banyak mengandung zat-zat seperti air, debu, dan

belerang. Kandungan zat zat tersebut apabila terlalu banyak akan sangat

Page 139: Konversi Energi

132

membahayakan pada proses pembakaran. Khusus untuk belerang, zat ini akan

korosif sekali pada material sudu turbin.

Flash point dan titik nyala tidak terlalu rendah, sehingga penyimpanan lebih

aman.

Gradenya harus tinggi, bahan bakar harus mempunyai kualitas yang bagus, tidak

banyak mengandung unsur-unsur yang merugikan seperti dyes dan tretaetyl lead

Dengan karakteristik bahan bakar untuk turbin gas pesawat terbang seperti yang

disebutkan di atas, terlihat bahwa bahan bakar tersebut adalah bermutu tinggi,

untuk menjamin faktor keamanan yang tinggi pada operasi turbin gas selama

penerbangan. Kegagalan operasi berakibat sangat fatal yaitu turbin gas mati,

pesawat terbang kehilangan gaya dorong, kondisi ini dapat dipastikan pesawat

terbang akan jatuh.

Bahan bakar pesawat yang biasa digunakan adalah dari jenis gasolin dan kerosen

atau campuran keduanya, tentunya sudah dimurnikan dari unsur-unsur yang

merugikan. Sebagai contoh, standar yang dikeluarkan American Society for

Tinting Material Spesification (ASTM) seri D-1655, yaitu Jet A, Jet A1, Jet B.

Notasi A, A, dan B membedakan titik bekunya.

5. Proses pembakaran

Pada gambar 2.106, dapat dilihat dari konstruksi komponen ruang bakar, apabila

digambarkan ulang dengan proses pembakaran adalah sebagai berikut:

Gambar 2.106 Ruang bakar dan proses pembakaran turbin gas

Proses pembakaran dari turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin

diesel, yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya adalah

Page 140: Konversi Energi

133

sebagai berikut, udara mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi

menjadi dua, yaitu udara primer yang masuk saluran primer, berada satu tempat

dengan nosel, dan udara mampat sekunder yang lewat selubung luar ruang

bakar. Udara primer masuk ruang bakar melewati swirler, sehingga alirannya

berputar. Bahan bakar kemudian disemprotkan dari nosel ke zona primer,

setelah keduanya bertemu, terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang

berputar akan membantu proses pencampuran, hal ini menyebabkan campuran

lebih homogen, pembakaran lebih sempurna.

Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar ruang

bakar akan membantu proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona

sekunder akan menyempurnakan pembakaran dari zona primer. Disamping

untuk membantu proses pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga

membantu pendinginan ruang bakar. Ruang bakar harus didinginkan, karena dari

proses pembakaran dihasilkan temperatur yang tinggi yang merusak material

ruang bakar. Maka, dengan cara pendinginan udara sekunder, temperatur ruang

bakar menjadi terkontrol dan tidak melebihi dari yang diijinkan.

Pada gambar 2.106 di atas, terlihat zona terakhir adalah zona pencampuran

(dillute zone), adalah zona pencampuran gas pembakaran bertemperatur tinggi

dengan sebagian udara sekunder. Fungsi udara pada sekunder pada zona itu

adalah mendinginkan gas pembakaran yang bertemperatur tinggi menjadi

temperatur yang aman apabila mengenai sudu-sudu turbin ketika gas

pembakaran berekspansi. Disamping itu, udara sekunder juga akan menambah

massa dari gas pembakaran sebelum masuk turbin, dengan massa yang lebih

besar energi potensial gas pembakaran juga bertambah. Apabila Wkinetik adalah

energi kinetik gas pemabakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah

udara sekunder adalah m1 maka energi kinetiknya adalah sebagai berikut:

dengan penambahan massa dari udara sekunder m2, maka energi kinetik

menjadi:

Page 141: Konversi Energi

134

jadi dapat dilihat Wkinetik,2 ( dengan udara sekunder) lebih besar dari Wkinetik,1 (

tanpa udara sekunder).

Dari uraian di atas, terlihat proses pembakaran pada turbin gas memerlukan

udara yang berlebih, biasanya sampai 30% dari kondisi normal untuk proses

pembakaran dengan jumlah bahan bakar tertentu. Kondisi ini akan berkebalikan,

apabila udara pembakaran terlalu berlimpah (lebih 30%), udara justru akan

mendinginkan proses pembakaran dan mati, karena panas banyak terbuang ke

luar melalui gas bekas yang bercampur udara dingin sekunder. Dengan

pemikiran yang sama, apabila jumlah udara kurang dari normal, yaitu terjadi

overheating, material ruang bakar dan sudu-sudu turbin bekerja melampaui

kekuatannya dan ruang bakar dapat pecah, hal ini berarti turbin gas berhenti

bekerja atau proses pembakaran terhenti.

6. Klasifikasi Turbin Gas

Ada banyak tipe turbin gas, tetapi dengan prinsip kerja yang sama, yaitu

mengikuti siklus Bryton. Siklus tersebut adalah siklus dasar yang menjadi

patokan dalam perancangan turbin gas . Secara teoritis kelihatan tidak ada

kesulitan, tetapi pada kenyataannya, pembuatan turbin gas menemui banyak

kesukaran, terutama yang berhubungan dengan efisiensi pemakaian bahan bakar

dan ketersedian material yang bekerja pada temperatur tinggi. Dengan berbagai

alasan dan tujuan, banyak tipe turbin gas yang dikembangkan. Adapun beberapa

alasan tersebut adalah :

Pemakaian bahan bakar harus lebih bervariasi tidak hanya untuk bahan bakar

cair dan gas saja atau untuk mencegah singgungan fluida kerja dengan

lingkungan, khususnya untuk bahan bakar nuklir. Untuk keperluan tersebut,

dibuat turbin gas terbuka dan tertutup atau turbin gas langsung dan tidak

langsung

Pemakaian turbin gas yang semakin meluas, disamping sebagai pembangkit

daya dorong dan pembangkit listrik, turbin gas sekarang banyak digunakan

untuk pengerak mula, contohnya penggerak pompa dan kompresor pada

industri-industri atau pusat pembangkit tenaga (power plant). Untuk keperluan

tersebu, dibuat turbin gas dengan model satu poros dan dua poros

Page 142: Konversi Energi

135

7.1 Turbin Gas Sistem Terbuka ( langsung dan tidak langsung)

Pada sistem turbin gas terbuka langsung [gambar 17.2], fluida kerja akan ke luar

masuk sistem yaitu udara lingkungan masuk kompresor dan gas bekas ke luar

turbin ke lingkungan.

Gambar 2.107 Bagan kerja turbin gas sistem terbuka langsung

Ruang bakar menjadi satu dengan sistem turbin gas dan bahan bakar yang

digunakan terbatas yaitu hanya bahan bakar cair dan gas. Bahan bakar tersebut

sebelum digunakan sudah dimurnikan, sehingga tidak mengandung unsur unsur

yang merugikan.

Permasalahan turbin gas sistem terbuka terfokus pada proses pendinginan ruang

bakar dan sudu-sudu turbin. Disamping itu, karena gas pembakaran langsung

besinggungan dengan material turbin, permasalahan korosi dan abarasi pada

sudu turbin, menjadi sangat penting, jika hal ini diabaikan akan berakibat fatal

dan sangat merugikan, yaitu sudu-sudu turbin dapat bengkok atau patah. Kalau

hal tersebut terjadi, daya turbin menurun, dan secara keseluruah efisien kerja

menjadi rendah.

Turbin gas sistem terbuka banyak dipakai untuk mesin pesawat terbang, karena

bentuknya lebih simpel, ringan dan tidak banyak memakan tempat, hal ini cocok

dengan pesyaratan turbin gas untuk pesawat terbang.

Bahan bakar padat tidak disarankan untuk digunakan pada sistem turbin gas

terbuka langsung, karena hasil pembakaran banyak mengandung partikel yang

bersifat korosi terhadap material turbin, yang dapat merusak sudu turbin.

Kendala tersebut dapat di atasi dengan memisahkan ruang bakar dengan saluran

Page 143: Konversi Energi

136

fluida kerja, dengan kata lain, fluida kerja masuk turbin dikondisikan tidak

mengandung gas hasil pembakaran. Untuk keperluan tersebut, dibuat turbin gas

sistem terbuka tak langsung. Dengan sistem ini, proses pembakaran berlangsung

sendiri di dalam ruang bakar yang terpisah dengan saluran fluida kerja yang

akan masuk turbin. Energi panas dari porses pembakaran akan ditransfer ke

fluida kerja secara langsung atau menggunakan alat penukar kalor.

Model transfer energi panas dari ruang bakar ke fluida kerja secara lansung

adalah sebagai berikut. Pipa pipa yang berisi fluida kerja udara mampat dari

kompresor dilewatkan ke ruang bakar atau dapur. Panas dari proses pembakaran

ditransfer secara langsung ke fluida kerja di dalam pipa pipa, temperatur fluida

akan naik sampai nilai tertentu sebelum masuk turbin.

Untuk model transfer panas dengan penukar kalor, banyak diaplikasikan pada

turbin gas berbahan bakar nuklir. Ruang bakar berbahan bakar nuklir sering

disebut dengan reaktor. Di dalam reaktor nuklir terjadi reaksi fusi yang

menghasilkan panas yang tinggi, panas yang tinggi tersebut ditransfer ke fluida

yang sekaligus berfungsi sebagai pendingin reaktor, fluida tersebut sering

diistilahkan sebagai fluida primer. Kemudian, fluida primer bersuhu tinggi

dialirkan ke alat penukar kalor. Di dalam alat penukar kalor terdapat pipa-pipa

berisi fluida kerja bersuhu rendah, untuk fluida ini sering disebut sebagai fluida

sekunder. Dengan kondisi tersebut, terjadi tranfer panas dari fluida primer

bersuhu tinggi ke fluida sekunder bersuhu rendah.

Pada gambar 17.3, adalah contoh skema untuk turbin gas sistem terbuka. Dapat

dilihat fluida kerja yang dipakai adalah udara. Udara masuk kompresor, dan ke

luar sebagai udara mampat pada titik 2. Udara bertekanan tinggi tersebut masuk

ruang bakar dan menyerap panas dari proses pembakaran, lalu ke luar ruang

bakar dengan temperatur tinggi pada titik 3. Selanjutnya, fluida kerja masuk

turbin dan berekspansi untuk memberikan energinya ke sudu-sudu turbin.

Terjadi perubahan energi, dari energi panas fluida kerja menjadi putaran poros

turbin. Sesudah berekspansi pada turbin, fluida kerja lalu ke luar turbin dengan

temperatur relatif rendah ke lingkungan.

Page 144: Konversi Energi

137

Gambar 2.108 Bagan kerja turbin gas sistem terbuka tak langsung

Pada gambar 2.108 adalah contoh sistem turbin gas tak langsung dengan

penukar kalor. Dapat dilihat, fluida kerja (fluida sekunder) yang dipakai adalah

udara. Udara masuk kompresor dan ke luar sebagai udara mampat pada titik 2.

Udara bertekanan tinggi tersebut, masuk penukar kalor dan menyerap panas dari

sumber panas. Sumber panas tersebut adalah fluida primer bertemperatur tinggi

yang mengalir dari reaktor. Fluida primer ini, sebagai pembawa energi panas

dari proses pembakaran bahan bakar nuklir, yang biasa digunakan adalah air

atau gas helium. Proses selanjutnya adalah sama dengan skema gambar 17.4

Page 145: Konversi Energi

138

Gambar 2.109 Bagan kerja turbin gas sistem terbuka tak langsung

7.2 Turbin gas sistem tertutup ( langsung dan tidak langsung)

Sistem turbin gas tertutup langsung banyak digunakan untuk aplikasi tubin gas

dengan bahan bakar nuklir [gambar 2.110]. Fluida kerja yang paling cocok

adalah helium. Proses kerja dari sistem tersebut adalah sebagai berikut. Helium

tekanan tinggi dari kompresor dimasukan reaktor untuk dipanasi dan sekaligus

untuk pendinginan reaktor. Setelah itu, helium berekspansi diturbin dengan

melepaskan sebagian besar energinya. Energi tersebut diubah pada sudu-sudu

turbin menjadi putaran poros turbin dan langsung menggerakan kompresor

ataupun beban lainnya. Helium ke luar turbin, tekanannya sudah menurun, tetapi

masih bertemperatur tinggi. Helium bertemperatur tinggi harus didinginkan

sebelum masuk kompresor, untuk keperluan tersebut, dipasang penukar kalor.

Selanjutnya, helium dingin masuk kompresor lagi untuk dikompresi lagi.

Page 146: Konversi Energi

139

Gambar 2.110Bagan kerja turbin gas sistem tertutup langsung

Gambar 2.111 Bagan kerja turbin gas sistem tertutup tak langsung

Page 147: Konversi Energi

140

Pada gambar 2.111 adalah sistem turbin gas tertutup tak langsung, sistem ini

adalah sistem gabungan antara sistem tertutup dan sistem tak langsung. Fluida

kerja primer menyerap panas dari ruang bakar atau reaktor kemudian dialirkan

ke penukar kalor, kemudian diserap oleh fluida sekunder. Langkah selanjutnya,

prosesnya sama dengan gambar 2.110.

7.3 Turbin Gas Dua Poros Terpisah

Pada pusat pembangkit daya (power plant) yang menggunakan turbin gas

sebagai tenaga gerak, putaran poros turbin harus tetap tidak bervariasi [gambar

17.2]. Hal ini berkaitan dengan pembangkitan energi listrik pada generator yang

harus stabil, sehingga energi listrik yang dihasilkan stabil dengan frekuensi (Hz)

yang tetap. Untuk menangani beban pada putaran yang tetap, biasanya turbin gas

yang dipakai hanya menggunakan satu poros saja.

Gambar 2.112 Turbin gas industri dengan dua poros dan dua turbin

Berbeda dengan aplikasi turbin gas pada pembangkit listrik yang menggunakan

satu poros, turbin gas yang dipakai untuk industri khususnya sebagai penggerak

kompresor dan pompa, banyak menggunakan sistem dua poros [gambar 2.112].

Alasan yang mendasari adalah kompresor dan pompa bekerja pada putaran yang

berubah-ubah, dengan tujuan merespon perubahan kapasitas aliran. Untuk itu,

turbin gas harus dapat bekerja pada putaran yang bervariasi, sehingga dapat

digunakan sebagai penggerak pompa atau kompresor pada putaran yang

Page 148: Konversi Energi

141

bervariasi. Poros pertama terdiri dari kompresor dan turbin tekanan tinggi (gas

generator), dan yang kedua terdiri dari turbin tekanan rendah untuk putaran

poros yang terhubung dengan beban yaitu pompa atau kompresor.

7.4 Turbin gas dua poros terpusat

Pada gambar 2.113 di atas adalah sebuah bagan turbin gas dengan dua poros.

Turbin gas jenis ini banyak dipakai pada turbin gas pesawat terbang dengan fan

(TURBOFAN). Udara dimampatkan tiga kali yaitu di fan, kompresor tekanan

rendah dan kompresor tekanan tinggi. Untuk fan dan kompresor tekanan rendah

digerakan oleh turbin tekanan rendah dengan poros di dalam anulus poros

pertama.

Gambar 2.113 Turbin gas pesawat terbang dengan dua poros terpusat

Sedangkan kompresor tekanan tinggi digerakan turbin tekanan tinggi. Pengatur

poros dengan tugasnya masing-masing bertujuan untuk memperoleh tingkat

putaran yang berbeda antara bagian penggerak kompresor tekana tinggi dengan

penghasil gaya dorong yaitu fan. Turbin gas ini digunakan untuk menghasilkan

gaya dorong yang besar pada pesawat terbang.

Klasifikasi turbin gas yang sudah diuraikan di atas adalah turbin gas standar

tanpa ada modifikasi dengan kinerja yang minimal. Ada beberapa metode untuk

memperbaiki kinerja dari tubin gas, yaitu dengan melihat beberapa

kemungkinan-kemungkinan, dari segi konstruksinya maupun dari segi proses

Page 149: Konversi Energi

142

kerjanya. Sebagai contoh, yaitu penambahan alat untuk memanfaatkan

temperatur gas buang dari turbin yang masih tinggi. Untuk memahami kinerja

dari turbin gas secara kwantitatif dapat menggunkan konsep dasar, yaitu konsep

efisiensi.

8. Konstruksi Turbin Gas

Turbin gas terdiri dari komponen-komponen yang saling berhubungan satu dan

lainya. Komponen-kompenen utama turbin gas adalah kompresor, ruang

bakar,dan turbin. Kompresor dan turbin mempunyai rotor yang sama, rotor

tersebut ditahan dengan dua bantalan radial dan satu bantalan aksial. Rumah

mesin bagian luar umumnya terdiri dari bagian tengah, rumah bagian udara

masuk dan rumah bagian gas bekas ke luar satu sama lainnya dihubungkan

dengan kuat [gambar 18.1, 18.2, dan 18.3].

Untuk turbin gas yang dipakai pada pesawat terbang, konstruksinya lebih

simpel, antara komponen yang satu dengan yang lainnya tidak terpisah. Ukuran

komponen-komponen turbin gas pesawat lebih kecil apabila dibandingkan

dengan turbin gas untuk industri.

Gambar 2.114 Turbin gas dan komponen-komponennya

Page 150: Konversi Energi

143

Gambar 2.115 Turbin gas dan komponen-komponennya

Rumah mesin tersebut dipisahkan aksial di bagian tengah setinggi tengah tengah

poros. Rumah bagian luar terdiri dari selubung luar dan selubung dalam,

diantara selubung tersebut terdapat gas bekas yang dialirkan lewat cerobong.

Sudu pengarah kompresor dan turbin ditempatkan di dalam beberapa penyangga

sudu pengarah, dan ditumpu dengan sistem elastis terhadap panas di dalam

rumah mesin bagian luar.

Saluran udara, dimana pada bagian ini udara dihisap kompresor, mempunyai

pelat pengarah, yang berfungsi juga untuk memperkuat luasan samping yang

besar. Udara kompresor dapat dilewatkan samping atau atas [gambar 18.3].

Sebelum masuk kompresor, udara tersebut melalui saringan dan peredam suara.

Page 151: Konversi Energi

144

Gambar 2.116 Turbin gas mini dan komponen-komponennya

Page 152: Konversi Energi

145

Gambar 2.117 Pusat pembangkit tenaga gabungan

Page 153: Konversi Energi

146

8.1 Rotor

Rotor konstruksinya terdiri dari beberapa piringan tersendiri yang dilengkapi

sudu, dan dengan kedua ujungnya serta bagian tengahnya dilengkapi dengan

jangka tarik. Bagian- bagian tersebut satu sama lain saling memagang dengan

sistem Hirth berkerat-kerat seperti gergaji. Rotor menjadi ringan dan

mempunyai kecepatan kritis yang lebih besar dari kecepata putar turbin.

Bagain-bagian rotor dan sudu-sudu didinginkan dari dalam Udara dimasukan ke

dalam rotor melalu lubang yang terletak dibagian belakang tingkat terakhir dari

kompresor, kemudian udara tersebut dibagi untuk dialirkan ke ruang diatara

piringan-piringan roda, selanjutnya dialirkan melalui kaki sudu dan kemudian

bercampur dengan fluida kerja. Rotor akan mengalami gaya geser aksial, tetapi

gaya geser tersebut saling berlawanan arah, kompresor kekiri dan turbin

kekanan. Gaya geser tersebut diseimbangkan dengan membuat sudu-sudu yang

disesuaikan.

Kaki sudu pengarah dari kompresor dibuat berbentuk ekor layanglayang dan

ditempatkan di dalam cincin pembagi. Gaya geser aksial yang terdapat pada

penyangga sudu pengarah kompresor diterima oleh ketinggian cakar dari lis

pembagi. Di antara tiga bagian penyangga sudu pengarah kompresor, kadang-

kadang terdapat celah berbentuk cincin yang besar. Maksudnya, supaya udara

tekan dapat dike luarkan melalui celah tersebut., sehingga pada saat kompresor

berjalan terus dan kondisi sampai dibatas pemompaan, jalannya kompresor tetap

tenang.

Penyangga sudu pengarah turbin dibuat sedemikain rupa, sehingga seluruh

bagian tengah dari rumah bagian luar dapat diisi udara tekan dengan tekanan dan

temperatur yang tertentu. Gas panas yang mengalir di dalam turbin dapat

mengakibatkan rumah turbin ikut menjadi panas, sehingga di sekelilingi rumah

turbin diberi pelindung supaya panas jangan memancar ke luar, karena meskipun

panas ke luar dari sudu turbin di sudu pengarah sudah didinginkan dan juga

sudah ditahan oleh sudu pengarah, temperaturnya udara tersebut akan naik dan

rumah turbin bagian luar juga ikut menjadi panas.

Page 154: Konversi Energi

147

Gambar 2.118 Rotor Turbin gas

8.2 Ruang Bakar

Ruang bakar turbin gas ditempatkan disamping rumah turbin, dengan maksud

saluran udara dari kompresor dan gas pembakaran menjadi pendek sehingga

kerugian aliran kecil. Saluran gas panas ditempat di dalam saluran udara

kompresor sehingga tidak membutuhkan isolasi panas yang khusus.

Gambar 2.119 Ruang bakar turbin gas

Gambar 2.120 Ruang bakar turbin gas

Page 155: Konversi Energi

148

Untuk menghindari gumpalan-gumpalan gas panas karena tidak bercampur

dengan udara segar, saluran gas dibuat dibelokan 90o dua kali sehingga gas

panas dan udara bercampur dengan baik, sebelum masuk turbin.

Pengaturan kecepatan udara dari kompresor juga penting, kecepatan udara yang

rendah akan mengakibatkan api akan merambat kearah kompresor dan

sebaliknya api akan ke luar dari ruang bakar yang mengakibatkan ruang bakar

menjadi dingin dan api dapat mati.

Ruang bakar turbin gas pesawat terbang konstruksinya dapat dilihat pada 20.8.

Ruang bakar harus menghemat ruang dan dipasang disekeliling sumbu tengah.

Ruang bakar dengan pipa api di dalamnya masing-masing berdiri sendiri

sehingga apabila salah satu ruang bakar mati yang lainnya tidak terpengaruh.

Dibagian luar ruang bakar terdapat lubang udara primer dan sekunder, nosel

bahan-bakar dan penyalanya dan juga terdapat lubang- lubang pendingin. Disini

udara pendingin sangat penting untuk menjaga ruang bakar dari temperatur yang

terlampau tinggi sehingga gas pembakaran yang mengalir ke turbin juga tidak

terlalu tinggi.

Gambar 2.121 Ruang bakar turbin gas pesawat terbang

Ruang bakar untuk industri dibuat terpisah dan besarnya disesuaikan dengan

daya turbin gas yang akan dihasilkan. Gambar 2.122 adalah ruang bakar untuk

industri. Ruang bakar dipasang tegak, dan dibagian atas terdapat 3 buah burner.

Page 156: Konversi Energi

149

Dibagian dalam terdapat tabung api yang dilindungi oleh lapisan keramik tahan

panas.

Gambar 2.122 Ruang bakar turbin gas pindustri

8.3 Kompresor

Udara dari luar ditekan dan dihisap oleh kompresor. Ada beberapa macam

kompresor yang biasa digunakan turbin gas sebagai contoh yang umum dipakai

adalah kompresor radial atau aksial. Kompresor radial biasanya ringan,

konstruksinya lebih sederhana dan secara ekonomis lebih murah [gambar 2.123]

Biasanya hanya satu tingkat untuk tekanan kompresi rendah sampai sedang.

Komponennya impeler, difuser, poros dan manifold udara ke luar. Untuk yang

axial biasanya bertingkat dan beroperasi pada tekanan kompresi tinggi, karena

bertingkat menjadi berat dan mahal [gambar 2.124].

Page 157: Konversi Energi

150

Gambar 2.123 Kompresor tubin axial

Gambar 2.124 Kompresor radial dengan diffuser

Page 158: Konversi Energi

151

8.4 Turbin

Proses ekspansi gas pembakaran pada turbin gas terjadi pada turbin, karena

proses tersebut, terjadi perubahan energi kinetik gas pembakaran menjadi energi

mekanik poros turbin, energi ini akan menggerakan kompresor dan peralatan

lainnya. Pada gambar 2.114adalah contoh konstruksi dari turbin. Aliran gas

turbin dirancang aliran axial. Pada turbin pesawat terbang gas sisa masih dapat

digunakan untuk daya dorong. Bagian dari turbin yang penting adalah stator dan

rotor.

Pada gambar 2.125 terlihat konstruksi dari satator. Stator adalah sudu tetap pada

rumah turbin dan berfungsi sebagi nosel pengarah gas pembakaran berkecepatan

tinggi ke sudu begerak. Sedangkan rotor terdiri dari sudu begerak yang

terpasang pada poros turbin [gambar 18.5]. Rotor turbin bekerja pada temperatur

gas pembakaran yang tinggi maka perlu pendinginan, sehingga tidak terjadi

kerusakan material turbin.

Gambar 2.125 Bentuk dari sudu jalan turbin

Page 159: Konversi Energi

152

8.5 Aplikasi Turbin Gas

Instalasi turbin gas dapat dibedakan antara turbin yang tetap tidak dipindah-

pindahkan dan turbin yang dipakai untuk menggerakan pesawat terbang atau

automobil. Instalasi turbin gas tetap tidak dapat dioindahpindahkan adalah

instalasi yang dipakai untuk memutar generator listrik dan untuk menggerakan

kompresor dan juga yang dikapal-kapal, karena turbin gas ini harus dapat bekeja

dalam jangka waktu yang panjang.

Gambar 2.126 Bentuk dari sudu jalan turbin

Jadi turbin harus dibuat untuk mengatasi beban yang tinggi. Sebagai conto untuk

daya berguna sebesar 100 MW berarti daya turbin adalah sekitar 300 MW dan

beroperasi pada temperatur 850 sampai 950.

Pada gambar 2.126 terlihat turbin gas yang dipakai untuk pembangkit listrik

dengan daya dari 30 MW sampai 60 MW dan beroperai selama 300 jam/tahun.

Data data pokok turbin ini adalah sebagi berikut ; daya P = 60/80 MW; putaran n

= 3000 rpm; kapasitas udara Qudara = 350 kg/detik; temperatur Tmax = 870o;

perbandingan kompresi r = 9,5; temperatur gas bekas T = 415 dan rendemen

total 28%.

Kompresor terdiri dari 15 tingkat dengan kecepatan keliling 320 m/s dan

panjang sudu tingkat pertama L = 320 mm. Pada insatalasi turbin gas yang

besar, untuk memudahkan stert pada kompresor dipasang katup yang gunanya

mencegah pemompaan, sehingga udara dengan tekanan yang berbeda beda akan

dike luarkan melalui katup tersebut. Udara dari kompresor dialirkan ke ruang

Page 160: Konversi Energi

153

bakar dengan melalui tabung yang berbentuk seperti diffuser yang terdapat

dalam saluran kosentris. disamping turbin terdapat ruang bakar yang dilengkapi

dengan pembakar yang dalam operasinya dapat menggunakan minyak bakar

atau gas bumi, dimana waktu bekerja pergantian bahan bakar dapat dilakukan

dengan tanpa ada perubahan daya atau beban, jadi pada waktu bekerja meskipun

bahan-bakarnya diganti daya turbin tetap konstan.

Turbin gas ini mempunyai udara pendingin yang masuk dari dua arah. Udara

yang kompresor mengalir masuk ke dalam poros bagian tengah melalui lubanh

dan saluran-saluran udara tersebut mengalir ke permukaan rotor dan ke kaki

sudu. Pada waktu start celah katup pada kompresor bekerja untuk membuang

tekanan berlebih sehingga startnya ringan. Dalam waktu lima menit putaran

turbin sudah mencapai kecepatan kerjanya yaitu 3000 rpm. Setelah sembilan

menit generator mulai dihubungkan dengan jala-jala listrik dan mulai menerima

beban.

Pada gambar di atas adalah contoh penggunaan turbin gas pada pembangkit

tenaga listrik. Untuk meningkatkan efisiensi, disamping menggunakan turbin

gas, pembangkit tenaga di atas juga menggunakan turbin uap, sehingga sering

dinamakan pembangkit tenaga gabungan. Kerja dari pembangkit ini adalah

dengan memanfaatkan kembali gas buang dari turbin gas yang masih bersuhu

tinggi untuk pembangkitan uap di boiler uap.

c. Rangkuman

Turbin gas adalah sebuah mesin panas pembakaran dalam, proses kerjanya

seperti motor yaitu udara atmosfer dihisap masuk kompresor dan

dikompresi, kemudian udara mampat masuk ruang bakar dan dipakai untuk

proses pembakaran, sehingga diperoleh suatu energi panas yang besar, energi

panas tersebut diekspansikan pada turbin dan menghasilkan energi mekanik

pada poros, sisa gas pembakaran yang keluar turbin menjadi energi dorong

(turbin gas pesawat terbang).

Persamaan turbin gas dengan motor bakar adalah pada proses

pembakarannya yang terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu proses

kerjanya adalah sama yaitu hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan

buang.

Page 161: Konversi Energi

154

Turbin gas banyak digunakan untuk mesin propulsi atau jet, mesin otomotif,

tenaga pembangkit listrik atau penggerak peralatanperalatan industri seperti

penggerak kompresor atau pompa. Daya yang dihasilkan turbin gas mulai

dari 250000 HP untuk pembangkit listrik sampai 5 HP pada turbocharger

pada mesin motor

Persyaratan bahan-bakar untuk turbn gas :

Nilai kalor persatuan berat dari bahan bakar harus tinggi, dengan alasan,

dengan jumlah bahan bakar yang sedkit dan ringan dengan nilai kalor yang

tinggi adalah akan sangat menguntungkan, karena mengurangi berat pesawat

terbang secara keseluruhan

Kemampuan menguap (volatility) dari bahan bakar tidak terlalu tinggi, oleh

karena pada harga volatility yang tinggi bahan bakar akan mudah sekali

menguap, terutama pada ketinggian tertentu, hal ini akan membahayakan,

karena bahan bakar menjadi mudah terbakar Disamping itu, saluran bahan

bakar mudah tersumbat karena uap bahan bakar.

Bahan bakar pesawat yang biasa digunakan adalah dari jenis gasolin dan

kerosen atau campuran keduanya, tentunya sudah dimurnikan dari unsur-

unsur yang merugikan. Sebagai contoh, standar yang dikeluarkan American

Society for Tinting Material Spesification (ASTM) seri D-1655, yaitu Jet A,

Jet A1, Jet B. Notasi A, A, dan B membedakan titik bekunya.

Page 162: Konversi Energi

155

d. Tugas

Soal :

1. Jelaskan prinsip kerja dari turin gas . . . . ?

2. Jelaskan komponen-komponen utama dari turbin gas ! Kemudian jelaskan

fungsi dari masing-masing komponen !

3. Jelaskan persamaan dan perbedaan antara motor bakar dan turbin gas

4. Jelaskan keuntungan dari pemakaian turbin gas sebagai penggerak pesawat

terbang ?

5. Mengapa motor bakar untuk saat ini tidak dipakai sebagi penggerak turbin

gas.

6. Jelaskan macam-macam turbin gas ?

7. Jelaskan persyaratan yang harus ada pada bahan bakar untuk turbin gas?

Page 163: Konversi Energi

156

6. Kegiatan Belajar 6 : Pengetahuan Dasar Generator Listrik

a. Tujuan Pembelajaran :

Setelah mempelajari secara keseluruhan materi kegiatan belajar dalam modul ini

peserta diklat diharapkan mampu :

1) Menjelaskan prinsip kerja generator listrik dengan benar

2) Menjelaskan hukum lenz terkait dengan medan maknit dengan benar

3) Menjelaskan prinsip pembangkitan listrrik AC dengan benar

b. Uraian materi

1. Prinsip Kerja Generator

Generator merupakan sebuah perangkat yang mengubah energi mekanis menjadi

energi listrik. Generator digunakan di bidang yang sangat luas: di bandar udara,

di rumah sakit, di transportasi, komputer, di bidang konstruksi, proses industri,

dan lainnya. Pada dasarnya terdapat dua macam generator, yaitu generator AC

dan DC. Karena generator AC menghasilkan arus AC, maka sering juga disebut

sebagai alternator. Generator DC menghasilkan arus DC.

Tidak ada perbedaan kunstruksi antara motor DC dengan generator DC.

Perbedaannya hanya pada pemakaiannya. Sebuah mesin DC bila diputar dengan

penggerak mula dapat membangkitkan ggl dan mensuplai arus kepada

rangkaian luar. Mesin yang sama bila dihubungkan dengan sumber tegangan

yang sesuai, dapat digunakan sebagai motor. Kerja motor terjadi apabila

sebatang penghantar yang dialiri arus ditempatkan di dalam medan magnit. Gaya

yang terjadi akan menghasilkan torsi atau menyebabkan timbulnya putaran bila

penghantar tersebut bebas berputar.

Prinsip kerja generator dikenalkan Michael Faraday 1832, sebuah kawat

penghantar digantung dua ujungnya ditempatkan diantara kutub magnet

permanen utara-selatan gambar-2.127. Antara kutub utara dan selatan terjadi

garis medan magnet Ф.

Page 164: Konversi Energi

157

Gambar 2.127 : Prinsip generator

Kawat penghantar digerakkan dengan arah panah, maka terjadi dikedua ujung

kawat terukur tegangan induksi oleh Voltmeter.

Besarnya tegangan induksi tergantung oleh beberapa faktor, diantaranya :

kecepatan menggerakkan kawat penghantar, jumlah penghantar, kerapatan

medan magnet permanen B.

U = B.L.v.Z Volt

U Tegangan induksi

B Kerapatan medan magnet (Tesla)

L Panjang penghantar (meter)

v Kecepatan gerakan (m/det)

z Jumlah penghantar

Terjadinya tegangan induksi dalam kawat penghantar pada prinsip generator

terjadi gambar-2.128, oleh beberapa komponen. Pertama adanya garis medan

magnet yang memotong kawat penghantar sebesar B. Kedua ketika kawat

penghantar digerakkan dengan kecepatan v pada penghantar terjadi aliran

elektron yang bergerak dan menimbulkan gaya gerak listrik (U). Ketiga panjang

kawat penghantar L juga menentukan besarnya tegangan induksi karena makin

banyak elektron yang terpotong oleh garis medan magnet

Page 165: Konversi Energi

158

.

Gambar 2.128 : Prinsip hukum Lorentz

Pada generator, gaya diberikan pada poros untuk memutarkan jangkar.

Sedangkan pada motor, gaya dihasilkan bila penghantar yang dialiri arus

listrikditempatkan di dalam medan magnit.

Motor menghasilkan torsi sebagai akibat adanya interaksi antara medan magnit

yang ditimbulkan oleh arus jangkar dengan medan magnit dari kutub-kutub

magnit. Untuk motordalam prakteknya, secara umum besarnya torsi berbanding

lurus dengan fluksi medan danarus jangkar. Kecuali pada motor seri.

Hubungan yang ada antara arus pada penghantar, medan magnit dan arah gaya

ditentukan oleh peraturan tangan kiri Flemming.Prinsip tangan kanan Flemming

menjelaskan terjadinya tegangan pada generator listrik. Sepasang magnet

permanen menghasilkan garis medan magnet Ф gambar-2.129, memotong

sepanjang kawat penghantar menembus telapak tangan.

Page 166: Konversi Energi

159

Gambar 2.129 : Interaksi elektromagnetik

Kawat penghantar digerakkan kearah ibu jari dengan kecepatan v. Maka pada

kawat penghantar timbul arus listrik I yang mengalir searah dengan arah

keempat jari. Apa yang akan terjadi bila posisi magnet permanen utara-selatan

dibalikkan, kemana arah arus yang dibangkitkan ? Untuk menjawabnya

peragakan dengan tangan kanan anda danjelaskan dengan jelas dan sistematis.

Hukum Lenz, menyatakan penghantar yang dialiri arus maka sekitar

penghantar akan timbul medan elektromagnet. Ketika kawat penghantar

digerakkan kecepatan v dan penghantar melewatkan arus kearah kita (tanda

titik) sekitar penghantar timbul elektromagnet kearah kiri gambar-2.130a.

Akibat interaksi medan magnet permanen dengan medan elektromagnet terjadi

gaya lawan sebesar F yang arahnya berlawanan dengan arah kecepatan v kawat

penghantar gambar-2.130b.

Gambar 2.130 : Interaksi elektromagnetik

Contoh :

Model generator DC memiliki kerapatan fluk magnet sebesar 0,8 Tesla, panjang

efektif dari penghantar 250 mm, digerakkan dengan kecepatan 12m/detik.

Hitung besarnya tegangan induksi yang dihasilkan.

Jawaban :

U = B.L.v.Z Volt

= 0,8 Tesla. 250.10-3meter. 12 m/det = 240 Volt

Page 167: Konversi Energi

160

2. Konstruksi Generator DC

Pada umumnya generator dibuat dengan menggunakan magnet permanen

dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih,

startor eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian

rotor. Gambar 4.7 menunjukkan gambar potongan melintang konstruksi

generator DC Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin

DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian

stator terdiri atas : rangka motor, belitan stator, sikat arang, beraing, terminal

box. Bagian rotor terdiri : komutator, belitan rotor, kipas rotor, poros rotor.

Gambar 2.130 : Konstruksi Generator DC

Komutasi

Tegangan yang dibangkitkan pada penghantar jangkar generator DC adalah ggl

arus bolak-balik. Arus jangkarnya juga adalah arus bolak-balik dan harus

didibalik untuk mempertahankan output yang searah untuk dihubungkan dengan

beban. Pembalikan arah arus jangkar ini disebut “komutasi”. Lamel-lamel

komutator dan sikat-sikat merupakan bagian yang berpengaruh pada komutasi.

Komutasi yang baik ( tanpa buanga api ).

Pemilihan bahan untuk sikat dan penempatan sikat-sikat pada komutator

terhadap medan magnit dan garis netral axis akan memperkecil dan mungkin

menghapuskan, bunga api komutator. Faktor lainnya seperti induktansi

kumparan, kekurangan tegangan pada satu kumparan dan lebar sikat

memberikan pengaruh pada komutasi.

Page 168: Konversi Energi

161

Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat

arang yang akan memendek dan harus diganti secara periodik. Komutator harus

dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang

mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas halus untuk membersihkan

noda bekas sikat arang.

Kutub bantu

Dimana keadaan beban yang berubah-ubah, arus jangkar ber- variasi

menyebabkan distorsi medan magnit dan perubahan garis netral medan utama.

Kejadian ini dikenal sebagai reaksi jangkar. Hal ini menyebabkan timbulnya

bunga api pada komutator yang tidak dapat diatasi dengan pergerakan fisik

posisi sikat-sikat. Kutub bantu digunakan dalam keadaan ini untuk

mempertahankan secara efektif posisi garis netral dan dengan menganggap

posisi sikat tetap.

Gambar 2.131. Pengaruh medan jangkar terhadap medan utama

Lilitan kompensasi

Lilitan kompensasi memperkecil pengaruh reaksi jangkar. Lilitan ini hanya

terdapat pada mesin-mesin yang besar.

Jenis Generator

Medan magnit yang diperlukan oleh suatu generator dapat dibuat dari magnit

permanen atau magnit listrik. Karena dalam prakteknya terdapat keterbatasan

dari ukuran dan kekuatannya, maka pemakaian magnit permanen juga terbatas.

Page 169: Konversi Energi

162

Magnit listrik selalu digunakan sebagai sistem medan magnit pada generator dan

motor DC ukuran besar. Karena ggl induksi dalam penghantar jangkar

tergantung pada kuat medan magnit padacelah udara, ggl yang dibangkitkan

mudah dikontrol dengan cara mengatur arus dalam kumparan medan.

Berdasarkan sumber arus yang diberikan untuk penguat medan magnit, maka

generator dapat diklasifikasikan menjadi :

a. generator penguat terpisah

b. generator penguat sendiri

Generator penguat terpisah

Cara yang sederhana untuk memberikan penguatan medan magnit sebuah

generator DC adalah dengan menghubungkannya pada sumber DC dari luar.

Seperti ditunjukkan pada diagram di bawah, sebuah tahanan variable rheostat

untuk medan magnit biasanya dihubungkan seri dengan lilitan medan untuk

mengontrol ggl yang dibangkitkan dengan mengatur arus medan magnit

Gambar 2.132 :Generator penguat terpisah

Generator penguat sendiri

Generatot penguat sendiri adalah generator yang arus penguat medannya

disuplai dari generator itu sendiri. Cara menghubungkan kumparan medan

terhadap jangkar, memberikan ciri-ciri jenis generator penguat sendiri. Jenisnya

adalah :

hubungan shunt

hubungan seri

hubungan kompon

Page 170: Konversi Energi

163

Gambar2.133 :Generator penguat sendiri

3. Prinsip Pembangkitan Listrik AC

Listrik AC dihasilkan dari hasil induksi elektromagnetik gambar-2.62, sebuah

belitan kawat yang berdekatan dengan kutub magnet permanen. Kutub

permanen diputar pada sumbunya, maka diujung-ujung belitan timbul tegangan

listrik yang ditunjukkan oleh penunjukan jarum Voltmeter. Jarum Voltmeter

bergoyang kearah kanan dan kekiri, ini menunjukkan satu waktu polaritasnya

positif, satu waktu polaritasnya negatif.

Gambar 2.134 : Prinsip pembangkitan Listrik AC

Generator AC sederhana gambar-2.131,terdiri stator dengan belitan kawat dan

rotor dengan dua kutub. Saat rotor diputar satu putaran dan ujung belitan diukur

dengan voltmeter dihasilkan tegangan AC satu periode. Bentuk tegangan

sinusoida dan fluk magnet berbeda phasa 900.

Page 171: Konversi Energi

164

Gambar 2.135 : Generator AC dua kutub

Berikut ini konstruksi sederhana generator AC dengan rotor empat kutub

gambar-2.133. Saat rotor diputar satu putaran, ujung belitan diukur tegangan

dengan Voltmeter. Setiap satu putaran rotor dihasilkan dua siklus tegangan

sinusoida. Jika frekuensi diinginkan 50 Hz, maka rotor dalam satu

detik harus berputar 25 putaran/detik, atau kalau satu menit 60 detik, maka rotor

harus berputar sebanyak 1500 putaran/menit.

Gambar 2.136 : Generator AC empat kutub

Kutub permanen utara dan kutub selatan menghasilkan garis fluk magnet.

Belitan kawat dengan poros yang ujung-ujungnya disambungkan dengan dua

cincin putar. Ketika poros diputar, belitan kawat akan memotong garis fluk

magnet, sesuai dengan hukum tangan kiri Flemming maka pada ujung-ujung

cincin akan timbul tegangan yang terukur oleh Voltmeter. Bentuk tegangan

berupa gelombang sinus.

Page 172: Konversi Energi

165

Gambar 2.137 : Prinsip generator AC

Bentuk gelombang AC secara umum gambar-2.135, berwujud bentuk sinusoida,

gelombang persegi dan bentuk zig-zag. Satu periode gelombang adalah satu

siklus penuh, yaitu satu siklus positif dan satu siklus negatif. Gelombang listrik

komersial PLN yang dipakai untuk rumah tangga dan industri adalah sinusoida

frekuensi 50 Hz.

Gambar 2.138 : Bentuk gelombang AC

Untuk menghasilkan bentuk gelombang listrik untuk kebutuhan khusus seperti

bentuk pulsa, dihasilkan dengan rangkaian Resistor dan Kapasitor gambar-

Page 173: Konversi Energi

166

2.136. Sumber tegangan kotak dengan frekuensi 100 Hz (5 milidetik) jika

dirangkaian dengan Kapasitor C= 1μF dan Resistor R = 1 kΩ, akan dihasilkan

bentuk gelombang output seperti gigi gergaji dengan ujung tajam dan kemudian

turun drastis.

Gambar 2.139 : Rangkaian pembangkit gelombang pulsa

Prinsip generator sederhana sebuah koil, bila didekatnya digerakgerakan magnet

permanen, pada ujung koil terukur arus bolak balik.

Prinsip generator AC sesui kaidah tangan kiri Flemming, belitan kawat dalam

loop tertutup yang dipotong oleh garis gaya magnet, pada ujung belitan kawat

akan timbul ggl induksi.

Bentuk gelombang AC bisa berupa gelombang sinusioda, gelombang kotak,

gelombang pulsa dsb.

c. Rangkuman

1. Prinsip kerja generator dikenalkan Michael Faraday 1832, sebuah kawat

penghantar digantung dua ujungnya ditempatkan diantara kutub magnet

permanen utara-selatan

2. Besarnya tegangan induksi tergantung oleh beberapa faktor, diantaranya :

kecepatan menggerakkan kawat penghantar, jumlah penghantar, kerapatan

medan magnet permanen

3. Prinsip tangan kanan Flemming menjelaskan terjadinya tegangan pada

generator listrik. Sepasang magnet permanen menghasilkan garis medan

magnet

Page 174: Konversi Energi

167

4. Hukum Lenz, menyatakan penghantar yang dialiri arus maka sekitar

penghantar akan timbul medan elektromagnet

5. Listrik AC dihasilkan dari hasil induksi elektromagnetik

6. Bentuk gelombang AC secara umum berwujud bentuk sinusoida,

gelombang persegi dan bentuk zig-zag.

7. Satu periode gelombang adalah satu siklus penuh, yaitu satu siklus positif

dan satu siklus negatif. Gelombang listrik komersial PLN yang dipakai

untuk rumah tangga dan industri adalah sinusoida frekuensi 50 Hz.

d. Tugas

1. Jelaskan prinsip kerja generator listrik . . .?

2. Jelaskan hukum lenz terkait dengan medan maknit . . .?

3. Jelaskan komponen utama dari suatu konstruksi generator DC . . .?

4. Uraikan prinsip pembangkitan listrik AC . . .?

Page 175: Konversi Energi

168

III EVALUASI

IV PENUTUP

Upaya menyiapkan tenaga menengah kejuruan untuk memenuhi kebutuhan

akan tenaga pelaksana di bengkel atau di industri, dalam kenyataannya

sekarang ini sangat dipengaruhi oleh persaingan yang sangat ketat baik di

dalam negeri maupun di luar negeri. Karena setiap pengusaha akan bersaing

dalam kualitas produksinya yang dilaksanakan sehingga menghasilkan barang

berdasarkan kebutuhan pasar dengan harga yang bersaing.

Dalam hal ini maka untuk menjawab tantangan tersebut setiap orang yang

akan terlibat di dalam proses produksi harus mampu dan mempunyai

KOMPETENSI yang dikuasai, diakui, sedangkan untuk memperoleh

kompetensi tersebut harus melalui pendidikan dan pelatihan di institusi/sekolah

kejuruan .

Salah satu perangkat pembelajaran diklat kompetensi adalah buku MODUL/

BAHAN AJAR, yang diharapkan dengan mempelajari buku modul ini

peserta/siswa akan dibekali dengan pengetahuan dan keterampilan dasar yang

harus dikuasai untuk mengikuti UJI KOMPETENSI NASIONAL.

Modul/ bahan ajar ini dimaksudkan untuk membantu/ memandu para

peserta/siswa dalam pembelajaran untuk mencapai kompetensi pengetahuan

dasar mesin-mesin konversi energy untuk tingkat Tenaga Pelaksana di

bidang Teknik Pemeliharaan Mekanik Mesin Industri atau yang

berhubungan dengan pekerjaan –pekerjaan tersebut diatas, semoga buku

modul ini bermanfaat bagi yang memerlukannya.

Page 176: Konversi Energi

169

DAFTAR PUSTAKA

Ackermann, T., 2005, Wind Power in Power Sistem, England, John Wiley and Sons Ltd.

Anonamius, 1992. Doe Fundamental Handbook of Thermodinamic.

Bosch (1995), Automotive Electric/ Electronic System, Germany, Robert Bosch Gmbh.

Brady, Robert N. (1983) Electrikand Electronic System for Automobiles and Truck,

Viginia,Reston Publishig Company, Inc.

Cengel, Y.A., 2005.Thermodynamics An Engineering Approach. Edisi 5.McGraw

Hill.New York.

Dietzel, F., 1993.Turbin, Pompa dan Kompresor , Jakarta Erlangga.

Dinas Tenaga Kerja dan Transmigrasi Provinsi Jawa Tengah. 2007. Bimbingan Teknis

Calon Ahli K3

Doland, J.J.,1984. Hydro Power Engineering. New York. The Ronald Press Company.

El-Mallahawy, F., 2000, Fundamentals and Technology of Combustion, McGraw Hill.

Heat Transfer and Fluid Flow, U.S. Departement of Energy, Washington D.C

Honer Jim, 1986, Automotive Electrical Handbook, Los Angeles, Price Stern Sloan.

Mathur, M.L. dan Sharma, R.P., 1980, A course in Internal Combustion Engine, Edisi 3,

Delhi India, Hanpat Rai and Sons, Nai Sarak

Sayig, A.A.M, 1997, "Renewable Energi", Journal of the World Renewable Energi, UK

Shlyakin, P., 1999.Teori dan Perancangan Steam Turbines. Jakarta Erlangga.

Silalahi, Bernnet NB. 1995. Manajemen Keselamatan dan Kesehatan Kerja. Jakarta: PT

Pustaka Binaman Pressindo

Sularso dan Tahara, H., 2000. Pompa dan Kompresor. Jakarta Pradnya Paramita.

Sullivan`s Kalvin R. (2004), Wiring Diagrams, WWW.Autoshop 101.com

Sumakmur PK. 1996. Keselamatan Kerja & Pencegahan Kecelakaan. Jakarta: PT.

Gunung Agung

TEAM (1995), New Step 1 Training Manual, Jakarta, Toyota Astra Motor

TEAM (1996), Electrical Group Step 2, Jakarta, Toyota Astra Motor

Toyota Astra Motor (t.th). Materi engine group step 2, Jakarta, Toyota Astra Motor